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。