電源冗余、紋波、動態(tài)負載的設計考慮
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劉廣緣:大家好!歡迎大家早上來參加研討會,我是VICOR公司的劉廣緣,VICOR公司做些新電源模塊,、很精良的電源模塊。VICOR公司有個子公司,叫Picor。 Picor是做芯片的,就是電源周邊應用的必要器件,我們要講的就是其中的個在輸出端很重要的芯片,就是“冷或門”功能管。這節(jié)課題主要是關(guān)于輸出端需要注意的情況,會主要講或門二管,也會跟大家探討動態(tài)負載及紋波課題。
需要”冗余”是因為對負載的供電需要很好、可靠的供電,不允許供電出現(xiàn)錯誤,但器件不可能不壞,就會要求要有冗余,需要備份,需要至少兩臺電源、兩組輸出但并在起來供電。組出現(xiàn)故障,組還可以正常操作,這就是冗余的概念。這必須要用上或門二管,比方有幾個電源對負載供電,如果要冗余大家各自要串個二管,這個二管現(xiàn)在已有好的器件代替,那就是Cool-ORing,就是“冷或門”。圖上這個冗余電源,個從主電源來的,個是電池過來,如果有個出故障,另外個還可以操作。另外這張圖表示N 1的均流冗余系統(tǒng)。
這個圖上的情況就是正常操作的時候,二管導通,就像沒有作用樣,負載電流是三個電源,就是三個電源加起來、共起來的總電流,這是正常操作的情況。萬有個電源壞掉了,如果沒有二管,那就可能把負載拉低,不能對負載供電。比如這里出現(xiàn)輸出短路,把整個輸出短路,沒辦法對負載供電,這就需要二管。如果發(fā)生什么故障的時候,二管就能避免剛才發(fā)生把負載短路的情況。雖然應用簡單,可提供足夠的系統(tǒng)故障保護,但在正常工作狀態(tài)下卻有很多缺點。般的二管有0.45V的壓降,而且體積比較大。
那什么是有源或門?就是用場效應管代替二管的功能,他們的導通電阻很低,用場效應管代替二管,功耗可以小十倍。這里有個重要的概念,場效應管是雙向?qū)ǖ钠骷?,所以用起來如果要達到二管的功能,就有個很重要的情況,就是發(fā)生故障的時候要關(guān)得很,這是個重點。因為發(fā)生故障的時候,二管自動,而場效應管卻是相向?qū)ǖ?,所以必須把它關(guān)得很快。
比方3.3V,20A的負載,如果有個好的二管,壓降很低只有0.45V,那也有9W的功耗,那就要加個很大的散熱片,或者需要風扇,會占用很大的空間。用“冷或門”器件代替的話,功耗卻只是0.8W。大家可以看到照片上的大小對比,用二管占用的體積會小很多。這個型號是PI2121的“冷或門”功能。正常操作時,電流從兩個電源A、B起供電給負載,電流是大家加起來負載供電;能不能均流?均流不是或門二管的;二個電源能不能均流?如果不能均流或者程度的均流,總的來說負載的電流就是兩個電源A、B電流加起來的。如果發(fā)生故障和短路,就會有反向電流,這時候你需要“冷或門”器很快把它關(guān)閉,要關(guān)得很快,這是重點。如果是二管會自動熄止,如果用場效應管代替二管,就需要關(guān)閉得很。
這個沒問題,不但得到二管反向截止的好處,卻只有很小很低的壓降,很低的內(nèi)阻、導通電阻很低的效果。要用到Cool-ORing的優(yōu)點,就需要以下的條件,個很的反向關(guān)熄,就要的放電,看到柵放電電流達到4A,旦發(fā)生故障就在200ns內(nèi)關(guān)掉,這樣就比較。冷或門內(nèi)部會監(jiān)察輸入和輸出的電壓差,有幾個毫伏就知道有沒有反向電流,旦有反向電流,就在200ns,般是150ns就可以把它關(guān)掉。
除了剛才說的正向低壓降導通,反向關(guān)閉外,還有很多小節(jié),比如用電阻設定欠壓點;反向電流:有多長時間出現(xiàn)反向電流才算是發(fā)生故障呢?那是可以編程的,到底多少時間才算出現(xiàn)故障是可以調(diào)動的,還有過溫示警等等;還可以把它們并聯(lián)起來,產(chǎn)生大電流的應用。就是如果器件電流不夠,個Cool- Oring的電流不夠,可以并聯(lián)起來,用主從的方式并聯(lián)起來,使電流達到100A。
我們有什么器件呢?現(xiàn)在器件并沒有太多;兩個概念:個是芯片,只是芯片,只是芯片就是需要外置場效應管。另外個是做好場效應管在里邊,立即可以使用。這是個的芯片,芯片需要您自己外加場效應管,它就可以很地把場效應管如果發(fā)生故障的時候,就把它關(guān)掉,達到等同二管的反向截止功能;正常操作的時候場效應管要導通得好,外置的場效應管可以選擇低導通電阻的場效應管。
這個器件里面可以允許你兩個背對背的場效應管,這樣就可以達到從負載、供電切斷出來。這也需要得好;個別的型號沒時間在這里詳細探討;但起碼要知道些概念,起碼知道器件的大小是什么樣,可以看到是很小的,3毫米×3毫米。這是帶有場效應管的CoolORing,有24A、1、12A。用的場效管耐壓是8V、15V、30V,這是場效應管的zui電壓,實際上用起來沒有這么,應該是5V、9.6V、12V母線的應用。電流12A、1、 24A,大家可以看到這么小的器件,可以帶這么大的電流,算是好了,還可以并聯(lián)增加電流。利用這個代替二管,效果是怎么樣的?要做實驗才知道,知道會是“冷”了很多,需否要加散熱片?我們很多時候用電路板上的銅片做散熱就足夠了,功耗小。
在這個場合很難深入介紹,我們只能說說幾個重點。先我們看到導通電阻是2mΩ,場效應管,讓你導通輸出電流,里面其他的器件就是怎么這個場效應管。有幾個功能:像內(nèi)部的線路是要穩(wěn)壓供電的,所以自身具備穩(wěn)壓器,供電給內(nèi)部器件,使操作正常。這里是可編程輸入欠壓及過壓偵測,它會顯示錯誤的信息,在正常的時候就會把錯誤除掉。這里有兩個應對錯誤的概念,正常操作下當然沒問題了,如果不正常,比如嚴重不正常,發(fā)生反向電流,就需要且能夠把場效應管關(guān)掉;有些情況是沒有發(fā)生重要的問題,只是輸出電流太低,就只需顯示錯誤的狀態(tài),只有顯示錯誤的信號而不需關(guān)掉,讓你系統(tǒng)偵測到有什么問題、什么錯誤。總的來說,輸入輸出的范圍不對,就有顯示錯誤,如果有反向電流就立即關(guān)掉,這就是顯示故障信號的情況。內(nèi)置場效應管,低的內(nèi)阻;內(nèi)部自己有供電;欠壓過壓會顯示信號;如果偵測到發(fā)生反向電流,就把場效應管關(guān)掉。
這是個應用,是兩個電源,每個電源用冷或門配起來,供電負載。用上了五個PI2121,就可以達到100A電流。這張圖看到關(guān)閉冷或門有延時的時間,內(nèi)部有電荷要清除掉才能反向關(guān)閉。我們看到反向電流發(fā)生后在200ns可以關(guān)掉。發(fā)生故障必須要立即關(guān)掉,要,否則就不。用場效應管代替二管,zui重要的就是這點:能不能很的關(guān)掉。如果你自己,場效應管可以自己選,可以加些偏壓,自己做就要考慮這個問題:能不能關(guān)得?
除了我們公司的PI2121以外,市面上還有其他的產(chǎn)品,大家的能都大同小異,我們產(chǎn)品的差別是器件有些地方比較理想,可以整體看看。功耗、體積是兩個重點。大家能不能達到立即關(guān)掉的目的呢?都可以!關(guān)閉的時間大同小異,NIS611關(guān)掉的時間也,總的來說200ns就夠了,我們的體積、功耗都是zui小的。
評估板里面有兩個Cool-ORing,如果有路電源壞掉,都不會影響負載的供電,而且正常操作的時候壓降低。市場上運用的地方就是供電電源備份的地方都可以應用,的通信設計、伺服器都需要備份,備份需要二管,如果用Cool-Oring代替二管比較理想,功耗低、體積小,競爭的優(yōu)勢主要也是功耗低、體積小,因為功耗被傳統(tǒng)的二管小十倍。 Cool-ORing已經(jīng)是大規(guī)模應用的器件,也有些應用的文章可以告訴你它應該怎么布線,怎么達到可靠的效果。
我想補充點點的是,Cool-Oring是用在輸出端的。輸出端需要考慮的東西,還有紋波和動態(tài)負載的課題,紋波和動態(tài)負載有很多內(nèi)容要談,但沒辦法在短時間內(nèi)談。我們只能在這里看看個例子的結(jié)果,我們有個QPO的東西,把紋波衰減,紋波衰減的目的是什么,就是使輸出的紋波、負載的紋波都沒有,這張圖可以很直觀的看到做了什么東西,在輸入輸出間建立了的壓差-可以調(diào)節(jié)的壓差,讓紋波抵消掉。剛才實驗的結(jié)果就是,上面的波型就是輸入QPO的紋波,就是 DC-DC模塊輸出的紋波,也不是很,80mV左右,QPO的輸出紋波就低很多了。這是的負載情況;還有10A時的情況。除了紋波衰減以外,動態(tài)突變的電流也是重要的課題,負載突變而電源卻不會立即能夠停止或立即傳遞能量,所以輸出就會有過沖抖動,電源模塊能否在負載突變時,能量能不能立即傳輸、立即停止,是不可能的,所以肯定會發(fā)生輸出抖動。假如我們要穩(wěn)住負載電壓,怎么穩(wěn)住呢?靠能量嗎?怎么傳?我們只是個電源模塊,只是臺機器,機器只能是快點、慢點,如果負載突然發(fā)生,肯定不能立即補充能量,這時候就有壓降。如果利用QPO就有這種幫助,就是把壓降稀釋掉。動態(tài)負載沒有萬的辦法,每個情況都要的個別考慮,不能在此詳談, QPO對某些動態(tài)負載是有幫助的。另外,輸出端除了QPO還有大功率的紋波衰減模塊,可以達到同樣的結(jié)果。動態(tài)的負載是很重要的,因為抖動既會沖擊電源,也會沖擊負載,在通訊會發(fā)生錯誤、誤差的問題,所以要盡量減少,就是要盡量減少動態(tài)負載引發(fā)的輸出抖動,雖不能消除,但要盡量減少。
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