工程师该如何选择电源？

由于电子产品的风靡，能够用多种电源供电的设备已经屡见不鲜了。例如，工业手持式仪表或便携式医疗诊断设备大部分时间用电池供电，但一旦插入交流适配器或USB端口，就从交流适配器或USB端口吸取功率了，这时既为电池充电，又为系统供电。在移动系统的另一端，大型高可用性服务器机架内至少有两个电源，以在任何一个电源出故障时，保持服务器正常运行。存储服务器则用超级电容器做备份电源，以在主电源断开时，干净利落地实现无差错停机，当然，也有些服务器采用大电流主电源和小电流辅助电源。所有这些系统都面临着一项重要任务，即在各种不同的可用电源中，选择一个为系统负载供电。

电源多路复用中隐藏的问题

在给定环境中选择合适电源这一任务，听起来简单轻松，但是如果选择不当，后果很严重，可能造成系统故障并损坏电源。如果加在电源输出端的电压较高，那么在并联工作的电源之间进行切换可能导致电流回流到电源中。有些电源如果遭遇能量返回，就会出现故障，使控制环路中断，引起电源输入端子过压，这有可能导致电容器及其他器件烧掉。并联电源切换时还存在一个风险，即所有电源与输出之间的断接时间都可能过长，导致输出电压下降，系统复位或系统运行不正常。当电源之间的电压比较接近时，会出现第三个问题。有些基于比较器的控制方法引入了一种振荡模式，即在电源之间连续切换，这样一来，电源之间的切换就需要周密设计了。

相同的电源

让我们从最简单的情况开始—由两个相同的电源给一个系统供电。这里相同的含义是，相同的标称电压，其变化在电源容限范围内通常为百分之几。这种情况出现在高可用性服务器中，这类服务器配备两个或更多冗余电源，以在任何电源出现故障时，能够不间断运行。在这类系统中，一种简单的方法是，选择电压最高的电源给系统供电。两个二极管的阳极分别连接两个电源，阴极则连在一起，形成所谓的二极管“或”电路，这样就实现了由电压较高的电源供电的功能（参见图1）。仅连入一个电源时，这个电路也正常工作。存在两个电源时，电压较高的那个电源，其二极管正向偏置，另一个二极管则反向偏置。


图1：两个电源的二极管“或”电路向负载供电。

新式服务器中有多个板卡，功率轻易就能超过千瓦，因此12V直流电源须提供50A～100A的电流。运用普通的老式二极管，即使是压差较低的肖特基二极管，对这样两个12V电源进行二极管“或”，如果不是不可能，也要面临可怕的热量管理任务，因为在这么大电流时，两个二极管的电压下降1V，就会消耗很大的功率，例如，在50A电流时，功耗为50W.因此需要压差低得多的理想二极管。正像解决其他许多电路问题时一样，MOSFET再次伸出了援手。MOSFET加上一个检测电路，可起到理想二极管的作用，正向偏置时（输入高于输出），接通压差非常低，反向偏置时（输入低于输出）则断开。理想二极管压差可降至普通二极管的1/10，因此功耗降至可应对的5W.通过RDS（ON）为2m的单个或并联N沟道MOSFET，很容易实现这样的理想二极管“或”电路。图2显示了一个这样的电路及其I-V曲线。凌力尔特的LTC4352控制一个N沟道MOSFET，以实现理想二极管功能。这样的两个电路并联，就形成了一个理想二极管“或”电路，可用于冗余电源系统。按照一定比例线性跟随MOSFET的压降，可确保电源不产生振荡，平滑切换，而0.5μs的快速接通和断开时间，则最大限度地减小了输出压降和反向电流。


图2：具UV/OV的LTC4352理想二极管及其I-V曲线。

理想二极管的功能是无源二极管望尘莫及的。仅当输入处于欠压（UV）和过压（OV）门限设定的有效范围之内时，LTC4352才能成为理想二极管。STATUS#引脚向下游电路提供MOSFET接通或断开的状态信号，FAULT#引脚指示MOSFET是由于UV/OV状况而关断，还是由于MOSFET呈电阻性或开路而导致过大压降，后者在故障发生之前发出了即将出现故障的警报。