电源冗余、纹波、动态负载的设计考虑
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刘广缘:大家好!欢迎大家早上来参加研讨会,我是VICOR公司的刘广缘,VICOR公司做些新电源模块,、很精良的电源模块。VICOR公司有个子公司,叫Picor。 Picor是做芯片的,就是电源周边应用的必要器件,我们要讲的就是其中的个在输出端很重要的芯片,就是“冷或门”功能管。这节课题主要是关于输出端需要注意的情况,会主要讲或门二管,也会跟大家探讨动态负载及纹波课题。
需要”冗余”是因为对负载的供电需要很好、可靠的供电,不允许供电出现错误,但器件不可能不坏,就会要求要有冗余,需要备份,需要至少两台电源、两组输出但并在起来供电。组出现故障,组还可以正常操作,这就是冗余的概念。这必须要用上或门二管,比方有几个电源对负载供电,如果要冗余大家各自要串个二管,这个二管现在已有好的器件代替,那就是Cool-ORing,就是“冷或门”。图上这个冗余电源,个从主电源来的,个是电池过来,如果有个出故障,另外个还可以操作。另外这张图表示N 1的均流冗余系统。
这个图上的情况就是正常操作的时候,二管导通,就像没有作用样,负载电流是三个电源,就是三个电源加起来、共起来的总电流,这是正常操作的情况。万有个电源坏掉了,如果没有二管,那就可能把负载拉低,不能对负载供电。比如这里出现输出短路,把整个输出短路,没办法对负载供电,这就需要二管。如果发生什么故障的时候,二管就能避免刚才发生把负载短路的情况。虽然应用简单,可提供足够的系统故障保护,但在正常工作状态下却有很多缺点。般的二管有0.45V的压降,而且体积比较大。
那什么是有源或门?就是用场效应管代替二管的功能,他们的导通电阻很低,用场效应管代替二管,功耗可以小十倍。这里有个重要的概念,场效应管是双向导通的器件,所以用起来如果要达到二管的功能,就有个很重要的情况,就是发生故障的时候要关得很,这是个重点。因为发生故障的时候,二管自动,而场效应管却是相向导通的,所以必须把它关得很快。
比方3.3V,20A的负载,如果有个好的二管,压降很低只有0.45V,那也有9W的功耗,那就要加个很大的散热片,或者需要风扇,会占用很大的空间。用“冷或门”器件代替的话,功耗却只是0.8W。大家可以看到照片上的大小对比,用二管占用的体积会小很多。这个型号是PI2121的“冷或门”功能。正常操作时,电流从两个电源A、B起供电给负载,电流是大家加起来负载供电;能不能均流?均流不是或门二管的;二个电源能不能均流?如果不能均流或者程度的均流,总的来说负载的电流就是两个电源A、B电流加起来的。如果发生故障和短路,就会有反向电流,这时候你需要“冷或门”器很快把它关闭,要关得很快,这是重点。如果是二管会自动熄止,如果用场效应管代替二管,就需要关闭得很。
这个没问题,不但得到二管反向截止的好处,却只有很小很低的压降,很低的内阻、导通电阻很低的效果。要用到Cool-ORing的优点,就需要以下的条件,个很的反向关熄,就要的放电,看到栅放电电流达到4A,旦发生故障就在200ns内关掉,这样就比较。冷或门内部会监察输入和输出的电压差,有几个毫伏就知道有没有反向电流,旦有反向电流,就在200ns,般是150ns就可以把它关掉。
除了刚才说的正向低压降导通,反向关闭外,还有很多小节,比如用电阻设定欠压点;反向电流:有多长时间出现反向电流才算是发生故障呢?那是可以编程的,到底多少时间才算出现故障是可以调动的,还有过温示警等等;还可以把它们并联起来,产生大电流的应用。就是如果器件电流不够,个Cool- Oring的电流不够,可以并联起来,用主从的方式并联起来,使电流达到100A。
我们有什么器件呢?现在器件并没有太多;两个概念:个是芯片,只是芯片,只是芯片就是需要外置场效应管。另外个是做好场效应管在里边,立即可以使用。这是个的芯片,芯片需要您自己外加场效应管,它就可以很地把场效应管如果发生故障的时候,就把它关掉,达到等同二管的反向截止功能;正常操作的时候场效应管要导通得好,外置的场效应管可以选择低导通电阻的场效应管。
这个器件里面可以允许你两个背对背的场效应管,这样就可以达到从负载、供电切断出来。这也需要得好;个别的型号没时间在这里详细探讨;但起码要知道些概念,起码知道器件的大小是什么样,可以看到是很小的,3毫米×3毫米。这是带有场效应管的CoolORing,有24A、1、12A。用的场效管耐压是8V、15V、30V,这是场效应管的zui电压,实际上用起来没有这么,应该是5V、9.6V、12V母线的应用。电流12A、1、 24A,大家可以看到这么小的器件,可以带这么大的电流,算是好了,还可以并联增加电流。利用这个代替二管,效果是怎么样的?要做实验才知道,知道会是“冷”了很多,需否要加散热片?我们很多时候用电路板上的铜片做散热就足够了,功耗小。
在这个场合很难深入介绍,我们只能说说几个重点。先我们看到导通电阻是2mΩ,场效应管,让你导通输出电流,里面其他的器件就是怎么这个场效应管。有几个功能:像内部的线路是要稳压供电的,所以自身具备稳压器,供电给内部器件,使操作正常。这里是可编程输入欠压及过压侦测,它会显示错误的信息,在正常的时候就会把错误除掉。这里有两个应对错误的概念,正常操作下当然没问题了,如果不正常,比如严重不正常,发生反向电流,就需要且能够把场效应管关掉;有些情况是没有发生重要的问题,只是输出电流太低,就只需显示错误的状态,只有显示错误的信号而不需关掉,让你系统侦测到有什么问题、什么错误。总的来说,输入输出的范围不对,就有显示错误,如果有反向电流就立即关掉,这就是显示故障信号的情况。内置场效应管,低的内阻;内部自己有供电;欠压过压会显示信号;如果侦测到发生反向电流,就把场效应管关掉。
这是个应用,是两个电源,每个电源用冷或门配起来,供电负载。用上了五个PI2121,就可以达到100A电流。这张图看到关闭冷或门有延时的时间,内部有电荷要清除掉才能反向关闭。我们看到反向电流发生后在200ns可以关掉。发生故障必须要立即关掉,要,否则就不。用场效应管代替二管,zui重要的就是这点:能不能很的关掉。如果你自己,场效应管可以自己选,可以加些偏压,自己做就要考虑这个问题:能不能关得?
除了我们公司的PI2121以外,市面上还有其他的产品,大家的能都大同小异,我们产品的差别是器件有些地方比较理想,可以整体看看。功耗、体积是两个重点。大家能不能达到立即关掉的目的呢?都可以!关闭的时间大同小异,NIS611关掉的时间也,总的来说200ns就够了,我们的体积、功耗都是zui小的。
评估板里面有两个Cool-ORing,如果有路电源坏掉,都不会影响负载的供电,而且正常操作的时候压降低。市场上运用的地方就是供电电源备份的地方都可以应用,的通信设计、伺服器都需要备份,备份需要二管,如果用Cool-Oring代替二管比较理想,功耗低、体积小,竞争的优势主要也是功耗低、体积小,因为功耗被传统的二管小十倍。 Cool-ORing已经是大规模应用的器件,也有些应用的文章可以告诉你它应该怎么布线,怎么达到可靠的效果。
我想补充点点的是,Cool-Oring是用在输出端的。输出端需要考虑的东西,还有纹波和动态负载的课题,纹波和动态负载有很多内容要谈,但没办法在短时间内谈。我们只能在这里看看个例子的结果,我们有个QPO的东西,把纹波衰减,纹波衰减的目的是什么,就是使输出的纹波、负载的纹波都没有,这张图可以很直观的看到做了什么东西,在输入输出间建立了的压差-可以调节的压差,让纹波抵消掉。刚才实验的结果就是,上面的波型就是输入QPO的纹波,就是 DC-DC模块输出的纹波,也不是很,80mV左右,QPO的输出纹波就低很多了。这是的负载情况;还有10A时的情况。除了纹波衰减以外,动态突变的电流也是重要的课题,负载突变而电源却不会立即能够停止或立即传递能量,所以输出就会有过冲抖动,电源模块能否在负载突变时,能量能不能立即传输、立即停止,是不可能的,所以肯定会发生输出抖动。假如我们要稳住负载电压,怎么稳住呢?靠能量吗?怎么传?我们只是个电源模块,只是台机器,机器只能是快点、慢点,如果负载突然发生,肯定不能立即补充能量,这时候就有压降。如果利用QPO就有这种帮助,就是把压降稀释掉。动态负载没有万的办法,每个情况都要的个别考虑,不能在此详谈, QPO对某些动态负载是有帮助的。另外,输出端除了QPO还有大功率的纹波衰减模块,可以达到同样的结果。动态的负载是很重要的,因为抖动既会冲击电源,也会冲击负载,在通讯会发生错误、误差的问题,所以要尽量减少,就是要尽量减少动态负载引发的输出抖动,虽不能消除,但要尽量减少。
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