片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備可實現(xiàn)更高的集成度，而高密度現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 可讓更多功能集成到工業(yè)系統(tǒng)中。 盡管如此，由于現(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)所扮演的角色，以前需要多種產(chǎn)品的支持才能實現(xiàn)，所以對故障容錯和冗余的需求日益增長，這在控制器和電源上均有體現(xiàn)。

此外，更多的功能也帶來了更多的高峰值電流需求。 在此類情況下，電力系統(tǒng)設(shè)計人員可以選擇并聯(lián)兩個或多個裝置。 并聯(lián)除可滿足峰值功率需求外，還具有長期應(yīng)力較小，整體可靠性更佳的優(yōu)點，利于實施‘n+1’冗余設(shè)計。

n+1 架構(gòu)是指在系統(tǒng)中至少增加一個附加電源，當其他電源中有一個出現(xiàn)故障時，該電源即可為系統(tǒng)提供電能。 n+1 冗余架構(gòu)是一種故障容錯技術(shù)，對于較大規(guī)模的系統(tǒng)而言，其性價比相當高。 正常運行條件下，多個電源同時發(fā)生故障的概率是相當?shù)偷?，因此在?2 個或 3 個以分流模式運行的電源陣列中，增加一個附加電源并不會導(dǎo)致成本大幅增加。

通常使用的 n+1 冗余方法有兩種。 第一種方法為：指定一個備用電源，讓其處于冷待機或熱待機狀態(tài)。 盡管冷待機工作有利于延長備用電源的使用壽命，但故障發(fā)生后需要時間來啟動該備用電源，這期間可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。 熱待機可確保備用電源隨時準備在電源組中的另一電源發(fā)生故障時投入運行，但由于備用電源的工作負載極低，因此能效也低，而且相對于冷待機電源，熱待機電源承受的內(nèi)部發(fā)熱應(yīng)力也要大得多。

通過讓備用電源參與均流，可將各電源承受的應(yīng)力在電源子系統(tǒng)中平衡。 一般而言，電源用于實現(xiàn)高輸出負載的峰值效率，這意味著低于峰值負載的工作電流均流造成發(fā)熱過多。 然而近年來的電源設(shè)計注重了低負載能效，讓這個問題不再那么重要。 在使用高能效范圍更廣的電源時，可確保電源在正常工作時處于低熱量輸出區(qū)域，并在故障發(fā)生后進入高負載狀態(tài)。

用于 n+1 冗余的解決方案提供數(shù)種級別，從全功率電源到 IC 級構(gòu)建模塊皆有。 在全功率電源級別，CUI VFK600 系列專為并聯(lián)工作而設(shè)計。 并聯(lián)時，連接其 PC 引腳即可將負載電流均分于兩個模塊上。 為實現(xiàn)并聯(lián)工作，VFK600 可設(shè)置為兩種不同的模式，一種用于并聯(lián)工作，另一種用于 n+1 冗余工作，適用于需要備用電源時的負載。

VFK600 可提供功率高達 700 W 的隔離輸出，采用堅固的金屬外殼包裝，帶有集成散熱器，適合與中間 DC 總線配套使用，提供 2:1 輸入范圍，從 18-36 VDC 電源或 36-77 VDC，轉(zhuǎn)換降壓至 12 至 48 VDC。 該電源具有內(nèi)部短路保護和遠程開/關(guān)控制功能。

盡管像 VFK600 這樣的電源包含在 n+1 系統(tǒng)中工作的必要元件，但其他設(shè)計可能不包含，或者可能需要在電源設(shè)計中采用自定義方法。 因此，需要一種方法來實現(xiàn)多個并聯(lián)電源的安全互連。 n+1 設(shè)計中通常使用的技術(shù)之一是：使用 Schottky ORing 二極管將冗余電源連接到負載上的公共點。

通常，ORing 設(shè)備是一種二極管，用于防止系統(tǒng)出現(xiàn)如輸入電源短路等故障。 由于二極管只允許電流由單一方向流過，ORing 二極管可實現(xiàn)冗余總線的故障隔離，從而讓系統(tǒng)使用剩余電源保持運行。

二極管將有效地瞬間斷開輸入電源短路。 然而，使用傳統(tǒng)二極管也存在缺點。 在 ORing 應(yīng)用中，二極管運行壽命的大部分時間都處于正向?qū)Ｊ?。由于二極管的固有壓降會導(dǎo)致功率和熱耗散，進而需要更加優(yōu)化的熱管理。

近年來，隨著功率密度的增加，功率耗散升高的問題日顯突出。在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等應(yīng)用中，迫切需要盡可能多地降低強制風(fēng)冷成本。

用 N 溝道 MOSFET 來代替 ORing 二極管要稍微復(fù)雜一些，但 MOSFET 的導(dǎo)熱性更好，這就省去了高功率應(yīng)用中對二極管散熱器和類似熱管理技術(shù)的需求，而代價則是略微增加了電路的復(fù)雜性。 有的控制器專為此用途而設(shè)計，比如 Texas Instruments LM5050-1。 這是一款正電壓、高壓側(cè) ORing 控制器，可促使外部 N 溝道 MOSFET 充當 ORing 二極管的替代品。

MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓由 LM5050-1 監(jiān)控。 “柵極”輸出引腳根據(jù)監(jiān)控到的源極-漏極電壓，促使 MOSFET 控制其運作。 由此構(gòu)成了理想的整流器，即 MOSFET 的源極和漏極引腳各自充當二極管的陽極和陰極引腳。

圖 1：TI LM5050-1 的框圖。

LM5050-1 設(shè)計為當 MOSFET 源極和漏極引腳上的電壓下降至約 30 mV 以下時，對 MOSFET 柵極至源極電壓進行調(diào)節(jié)。 隨著電壓下降，柵極引腳電壓將會隨之下降，直至 MOSFET 的電壓調(diào)節(jié)至 22 mV。 如果 MOSFET 電流反轉(zhuǎn)（可能由于電源輸入故障，使得 MOSFET 漏極和源極電壓的負值超過大約 -30 mV），LM5050-1 會通過強放電晶體管促使 MOSFET 的柵極快速放電。

如果輸入電源突然發(fā)生故障，就如同電源直接接地短路時一樣，反向電流會暫時流經(jīng) MOSFET，直至柵極完全放電。 此反向電流來自負載電容和并聯(lián)電源。 LM5050-1 通常會在 25 ns 內(nèi)對電壓反轉(zhuǎn)情況作出響應(yīng)。 斷開 MOSFET 所需的實際時間取決于使用的 MOSFET 柵極電容所帶的電荷量。 根據(jù) TI，具有 47 nF 有效柵極電容的 MOSFET 通常可在 180 ns 內(nèi)關(guān)閉。 如此快速的關(guān)閉時間可以最大限度減少輸出端的電壓擾動和來自冗余電源的電流瞬態(tài)。

當內(nèi)部 LM5050-1 控制電路為 MOSFET 柵極放電時，輸入電源的突發(fā)零歐姆短路極有可能會引起反向電流流動。 在此時間內(nèi)，反向電流僅受 MOSFET 導(dǎo)通電阻、寄生布線電阻和電感的限制。 在最壞情形下，瞬態(tài)反向電流通常限制在 (Vout - Vin)/RDS(on)。

當 MOSFET 像這樣突然關(guān)閉時，儲存在寄生布線電感中的電能將傳輸至電路的其余部分。 因此，LM5050-1 可監(jiān)控到測量引腳上的電壓尖峰。 連接電源的引腳可通過二極管在負電壓方向上將引腳箝位接地得到保護；另一引腳可使用 TVS 保護二極管、局部旁通電容器或兩者來保護。

替代分立有源 ORing 電路的另一種方式是選擇已封裝的版本，例如 Vicor 的 Cool-ORing 系列設(shè)備。 這些設(shè)備在高密度熱增強型 5 x 7 mm 柵格陣列 (LGA) 封裝中融入了高速 ORing MOSFET 控制器和極低導(dǎo)通電阻 MOSFET。 這些解決方案的導(dǎo)通電阻低至 1.5 μΩ，可承受在各工作溫度范圍內(nèi)高達 24 A 的連續(xù)負載電流。 此設(shè)計可用于低壓、高側(cè)應(yīng)用；將支持電路共同封裝，相對于分立解決方案，更能節(jié)省電路板空間。 元件對故障情況的響應(yīng)速度高達 80 nS。 主/從功能允許設(shè)備并聯(lián)，以滿足高電流有源 ORing 的需求。

圖 2：Picor Cool-ORing 解決方案對故障情況的響應(yīng)。

通過允許電源安全耦合，ORing 解決方案支持以合理的費用，為工業(yè)和類似系統(tǒng)創(chuàng)建基于 n+1 冗余的更可靠的電力系統(tǒng)。