歡迎再次來到我們的技術(shù)專欄——模擬芯視界。在上一期中，我們討論了用于 PFC 的新型充電模式控制算法在實際應用中的表現(xiàn)，以及它如何助力實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的電源管理。

本次為大家?guī)淼氖恰妒褂美硐?a target="_blank">二極管控制器的汽車應用冗余電源拓撲》。該文章將介紹使用理想二極管控制器進行 ORing 和電源多路復用的概念和優(yōu)勢、不同類型和架構(gòu)，以及在汽車系統(tǒng)中使用理想二極管控制器實現(xiàn) ORing 和電源多路復用的挑戰(zhàn)和解決方案。

引言

冗余電源使用多個電源單元為負載提供所需的電源。它們有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，并在其中一個電源單元發(fā)生故障時確保系統(tǒng)安全。在汽車系統(tǒng)中，冗余電源對于自動駕駛等安全關(guān)鍵型應用尤為重要，因為在這類應用中，斷電可能會導致嚴重的后果。

ORing 和優(yōu)先級電源多路復用是在汽車系統(tǒng)中實現(xiàn)冗余電源的兩種常用技術(shù)。在 ORing 中，系統(tǒng)從多個輸入中選擇最高電壓的電源，而電源多路復用技術(shù)允許系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級或其他標準在不同的電源之間切換。設計人員以前會將肖特基二極管和/或 P 溝道場效應晶體管用于電源中的冗余電路。

理想的二極管控制器是可以控制外部金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 來模擬理想二極管行為的集成電路 (IC)。與傳統(tǒng)二極管相比，它們具有多種優(yōu)勢，例如更低的功率耗散、更高的電流能力、反極性保護、反向電流阻斷和負載突降保護。理想的二極管控制器還可提供浪涌電流限制以及過壓和過流保護。

在本文中，我們將討論使用理想二極管控制器進行 ORing 和電源多路復用的概念和優(yōu)勢、ORing 和電源多路復用電路的不同類型和架構(gòu)，以及在汽車系統(tǒng)中使用理想二極管控制器實現(xiàn) ORing 和電源多路復用的挑戰(zhàn)和解決方案。

ORing 和電源多路復用技術(shù)

ORing 和電源多路復用技術(shù)都使用理想二極管將多個輸入電源連接到單個輸出負載，但它們在不同輸入源之間的選擇和切換方式有所不同。圖 1 顯示了電源 ORing 和優(yōu)先級多路復用的典型用例。

圖 1：ORing 和優(yōu)先級電源多路復用器解決方案的典型用例

ORing 電路有助于系統(tǒng)根據(jù)最高輸入電壓從多個輸入中選擇最佳可用電源。理想二極管充當開關(guān)，在輸入電壓高于輸出電壓時導通，并在輸入電壓低于輸出電壓時關(guān)斷。這樣，ORing 電路可確保具有最高電壓的輸入源連接到輸出端，并防止出現(xiàn)反向電流和輸入源之間的跨導。如果兩個輸入電源幾乎相等，則可以由兩個電源同時為負載供電，而兩個電源之間沒有任何循環(huán)電流。因此，反向電流阻斷是實現(xiàn) ORing 電路所需的主要特性。

電源多路復用電路允許系統(tǒng)根據(jù)電源優(yōu)先級或輸入電壓可用性和幅度等標準在不同的電源之間進行切換，而不管電壓幅度如何。在該配置中，控制電路需要開關(guān)每個電源和負載之間的電源路徑，具體由其自身的優(yōu)先級邏輯或外部信號（例如微控制器通用輸入/輸出引腳）控制。電源多路復用電路確保在任一時刻只有一個輸入源連接到輸出，并防止出現(xiàn)反向電流和輸入源之間的跨導。因此，在該配置中，電路需要具有反向電流阻斷和負載路徑開關(guān)控制功能，以使優(yōu)先級電源能夠為負載供電。

電源 ORing 的典型應用電路

ORing 電路廣泛用于信息娛樂、車身控制模塊、高級駕駛輔助系統(tǒng)和照明模塊等汽車子系統(tǒng)；它們可在電源出現(xiàn)故障或斷開時提供冗余和可靠性。圖 2 顯示了采用理想二極管控制器 IC 與外部 N 溝道 MOSFET 的不同 ORing 拓撲。

有效的 ORing 解決方案需要以極快的速度工作，以便在其中一個電源出現(xiàn)故障時限制反向電流的持續(xù)時間和大小。ORing 配置中的理想二極管控制器會不斷檢測陽極和陰極引腳（分別是電源（VIN1、VIN2）和公共負載 (VOUT) 點的電壓電平）之間的電壓差。只要 VIN – VOUT 降至指定的反向閾值（通常為幾毫伏）以下，快速比較器就會在數(shù)毫秒內(nèi)通過快速下拉電阻將柵極驅(qū)動器關(guān)斷。德州儀器理想二極管控制器具有快速反向電流檢測比較器和線性柵極穩(wěn)壓方案，可確保在發(fā)生輸入電源丟失時實現(xiàn)零直流反向電流。

圖 2：使用理想二極管控制器的典型 ORing 拓撲

少數(shù)子系統(tǒng)需要將負載與電源斷開，以實現(xiàn)低靜態(tài)電流或保護系統(tǒng)免受故障條件的影響。圖 2 中的拓撲 2 顯示了采用 德州儀器LM7480-Q1 和 LM7470-Q1 器件且具有通用負載斷開控制功能的典型雙電源輸入 ORing 應用電路。FET Q1 和 Q2 分別由 LM7470-Q1 和 LM7480-Q1 驅(qū)動，用于提供 ORing 功能，而由 LM7480-Q1 驅(qū)動的 Q3 FET 可以將負載與電源隔離。當 VIN1 大于 VIN2 時，LM7480-Q1 對 FET 的獨立控制允許 Q2 阻斷反向電流，而 Q3 保持導通，將 VIN1 連接至 VOUT。圖 2 中的拓撲 3 顯示了 ORing 的典型應用電路，該電路具有針對各個電壓軌的負載斷開功能，從而使系統(tǒng)設計人員能夠為每個電壓軌指定不同的負載斷開標準。

圖 3 和圖 4 顯示了 VIN1 = 12V 且 VIN2 = 15V 時兩個電源軌之間的電源 ORing 切換性能。

圖 3：電源從 VIN1 切換至 VIN2

圖 4：電源從 VIN2 切換至 VIN1

優(yōu)先級電源多路復用器配置

當主電源電壓降至指定的閾值以下時，優(yōu)先級電源多路復用器會自動將主電源轉(zhuǎn)換為輔助 (AUX) 或次級電源。如果可用且處于可接受限值內(nèi)，主電源始終是為負載供電的首選電源。例如，如果配電單元中的上游智能保險絲在子系統(tǒng)的主電源上跳閘，則優(yōu)先級電源多路復用器電路會自動將 AUX 電源連接到輸出端，并從輸出端斷開主電源，以避免子系統(tǒng)運行出現(xiàn)任何中斷。如果上游智能保險絲復位且主電源電壓上升到可接受的閾值以上，則優(yōu)先級電源多路復用器電路會自動將主電源連接回輸出端并斷開 AUX 電源。

電源多路復用器電路需要使用 LM74800-Q1 或 LM74900-Q1 等控制器來控制每個電源軌上的兩個背對背 MOSFET。當主電源和 AUX 電源都存在且處于可接受的范圍內(nèi)，并且主電源正在為負載供電時，AUX 路徑控制器必須在主電源電壓高于 AUX 電源電壓時阻斷反向電流。同樣，當主電源電壓低于 AUX 電源時，AUX 路徑控制器必須阻斷正向電流。這確保具有最高優(yōu)先級的主電源為負載供電，而 AUX 電源與主電源和負載隔離。

LM74900-Q1 理想二極管控制器驅(qū)動和控制外部背對背 N 溝道 MOSFET，從而模擬具有電源路徑開關(guān)控制及過流和過壓保護功能的理想二極管整流器。圖 5 是在共漏極拓撲中使用兩個 LM74900-Q1 器件的優(yōu)先級電源多路復用器原理圖。VAUX 路徑中 LM74900-Q1 的過壓引腳配置為當VPRIM 因為任何原因斷開時，VAUX 電源立即連接到負載，并確保為負載持續(xù)供電。

圖 5：使用 LM74900-Q1 的典型優(yōu)先級電源多路復用器應用電路

電源多路復用器電路的目的是在 VPRIM 被切斷或超出可接受的范圍時，負載切換到由 VAUX 供電，同時使輸出電壓保持在較低水平。為了在轉(zhuǎn)換期間將輸出電壓保持較低水平，負載開關(guān) FET (Q4)（由 VAUX 路徑中的 LM74900-Q1 驅(qū)動）必須在 VPRIM 的電源路徑關(guān)閉（通過關(guān)斷 Q2）期間非常快速地導通。但是，HGATE 引腳設計為僅提供 55μA 柵極電流，以實現(xiàn)慢啟動來提供浪涌電流限制，該電流太低而無法快速將 HGATE 變?yōu)楦唠娖?。由一?a target="_blank">電阻器(RCP)、一個晶體管 (Q5)和一個二極管 (D2) 組成的小電路可以增加 HGATE 拉電流。另外還可以通過將 Q5 的發(fā)射極連接到 Q4 的柵極來增加柵極拉電流，因為 Q5 允許電荷泵電容器將 HGATE 直接拉高?；蛘?您可以通過改變RCP 的電阻值來調(diào)節(jié) Q4 柵極拉電流。D2 在 Q5 周圍提供了一條路徑來關(guān)斷 Q4。

圖 6 顯示了在 VPRIM 斷開且負載快速轉(zhuǎn)換至 VAUX 電壓軌的情況下捕獲的波形。AUX 電壓軌的 HGATE 在 20μs 內(nèi)導通以減少輸出電壓下降。

圖 6：電源多路復用器應用中的 VPRIM 到 VAUX 切換

圖 7 顯示了當 VPRIM 恢復到可接受的水平時的瞬時波形，這時優(yōu)先級電源多路復用器電路平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換負載，最低電壓降到VPRIM，因為它的優(yōu)先級高于 VAUX。

圖 7：電源多路復用器應用中的 VAUX 至 VPRIM 切換

表 1 顯示了各種理想二極管控制器以及它們基于各個功能集可支持的冗余電源拓撲。

表 1：適用于冗余電源拓撲的理想二極管控制器列表

結(jié)語

具有高級功能的理想二極管控制器支持 ORing 和電源多路復用電路的不同架構(gòu)。理想二極管控制器具有反極性保護、反向電流阻斷、負載突降保護、有源整流、過壓保護和浪涌電流限制等特性和優(yōu)勢，從而可實現(xiàn)全面的輸入電源路徑保護并有助于確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。