電源冗余(yu)、紋波、動態(tai)負(fu)載(zai)的(de)設(she)計考(kao)慮

tag：劉(liu)廣緣 美國VICOR公(gong)司(si)
 

劉(liu)廣緣：大家好(hao)！歡(huan)迎(ying)大家早(zao)上(shang)來參(can)加(jia)研(yan)討(tao)會(hui)，我是(shi)VICOR公(gong)司(si)的(de)劉(liu)廣緣，VICOR公(gong)司(si)做(zuo)些新電源模塊，、很(hen)精(jing)良的(de)電源模塊。VICOR公(gong)司(si)有個(ge)子(zi)公(gong)司(si)，叫Picor。 Picor是(shi)做芯片的(de)，就(jiu)是(shi)電源周邊應(ying)用(yong)的(de)必要器件，我們要講的(de)就(jiu)是(shi)其(qi)中(zhong)的(de)個(ge)在輸(shu)出(chu)端很(hen)重(zhong)要的(de)芯片，就(jiu)是(shi)“冷或門”功能管(guan)。這節(jie)課(ke)題主(zhu)要是(shi)關於輸出(chu)端需(xu)要註意的(de)情(qing)況，會(hui)主(zhu)要講或門二(er)管(guan)，也會跟大家探(tan)討(tao)動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)及(ji)紋波課題(ti)。
需(xu)要”冗余(yu)”是(shi)因為對負載(zai)的(de)供電需(xu)要很(hen)好(hao)、可(ke)靠(kao)的(de)供電，不(bu)允(yun)許(xu)供電出(chu)現錯(cuo)誤，但(dan)器件不(bu)可(ke)能(neng)不(bu)壞(huai)，就會要求要有冗余(yu)，需(xu)要備份，需(xu)要至少(shao)兩臺電源、兩組(zu)輸(shu)出(chu)但(dan)並(bing)在起(qi)來(lai)供電。組(zu)出(chu)現故障，組(zu)還可(ke)以(yi)正常操(cao)作，這就(jiu)是(shi)冗余(yu)的(de)概念。這必須要用(yong)上(shang)或門二(er)管(guan)，比方(fang)有幾個(ge)電源對負載(zai)供電，如(ru)果要冗余(yu)大家各(ge)自(zi)要串個(ge)二(er)管(guan)，這個(ge)二(er)管(guan)現在已(yi)有好的(de)器件代(dai)替，那(na)就是(shi)Cool-ORing，就是(shi)“冷或門”。圖上(shang)這個(ge)冗余(yu)電源，個(ge)從主電源來的(de)，個(ge)是(shi)電池(chi)過(guo)來(lai)，如(ru)果有個(ge)出(chu)故障，另外(wai)個(ge)還可(ke)以(yi)操作。另外(wai)這張圖表示N 1的(de)均流冗余(yu)系統。
這個(ge)圖(tu)上(shang)的(de)情(qing)況就(jiu)是(shi)正常操作的(de)時候，二(er)管(guan)導(dao)通，就像(xiang)沒有作用(yong)樣，負載電流是(shi)三個(ge)電源，就是(shi)三個(ge)電源加(jia)起來(lai)、共(gong)起(qi)來的(de)總電流，這是(shi)正常操作的(de)情(qing)況。萬有個(ge)電源壞掉了(le)，如(ru)果沒有二(er)管(guan)，那(na)就可(ke)能(neng)把(ba)負(fu)載(zai)拉(la)低(di)，不(bu)能(neng)對負載(zai)供電。比如(ru)這裏(li)出(chu)現輸(shu)出(chu)短(duan)路，把(ba)整個(ge)輸(shu)出(chu)短(duan)路，沒辦(ban)法對(dui)負(fu)載(zai)供電，這就(jiu)需(xu)要二(er)管(guan)。如(ru)果發(fa)生什(shen)麽(me)故障的(de)時候，二(er)管(guan)就能(neng)避(bi)免(mian)剛(gang)才(cai)發(fa)生把(ba)負(fu)載(zai)短(duan)路的(de)情(qing)況。雖(sui)然應(ying)用(yong)簡單，可(ke)提(ti)供足夠(gou)的(de)系統故障保(bao)護，但(dan)在正(zheng)常(chang)工作狀態(tai)下(xia)卻(que)有很(hen)多缺點(dian)。般(ban)的(de)二(er)管(guan)有0.45V的(de)壓(ya)降(jiang)，而(er)且(qie)體積比(bi)較(jiao)大。
那(na)什麽(me)是(shi)有源或門？就是(shi)用(yong)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)代替二(er)管(guan)的(de)功(gong)能，他們(men)的(de)導(dao)通電阻很(hen)低(di)，用(yong)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)代替二(er)管(guan)，功耗(hao)可(ke)以(yi)小十(shi)倍(bei)。這裏(li)有個(ge)重(zhong)要的(de)概念,場效(xiao)應(ying)管(guan)是(shi)雙向導(dao)通的(de)器件，所(suo)以(yi)用(yong)起(qi)來(lai)如(ru)果要達到(dao)二(er)管(guan)的(de)功(gong)能，就有個(ge)很(hen)重(zhong)要的(de)情(qing)況，就(jiu)是(shi)發(fa)生故障的(de)時候要關得(de)很(hen)，這是(shi)個(ge)重(zhong)點(dian)。因(yin)為(wei)發(fa)生故障的(de)時候，二(er)管(guan)自動(dong)，而(er)場(chang)效應管(guan)卻是(shi)相向(xiang)導(dao)通的(de)，所(suo)以必須把(ba)它(ta)關(guan)得(de)很(hen)快(kuai)。
比(bi)方(fang)3.3V，20A的(de)負(fu)載，如(ru)果有個(ge)好(hao)的(de)二(er)管(guan)，壓降(jiang)很(hen)低(di)只(zhi)有0.45V，那(na)也有9W的(de)功(gong)耗(hao)，那(na)就要加(jia)個(ge)很(hen)大的(de)散(san)熱片，或者需(xu)要風扇(shan)，會占用(yong)很(hen)大的(de)空(kong)間。用(yong)“冷(leng)或門”器件代(dai)替的(de)話(hua)，功耗(hao)卻只(zhi)是(shi)0.8W。大家可(ke)以(yi)看到(dao)照(zhao)片上(shang)的(de)大小對(dui)比(bi)，用(yong)二(er)管(guan)占用(yong)的(de)體積會(hui)小很(hen)多。這個(ge)型(xing)號是(shi)PI2121的(de)“冷(leng)或門”功能。正常操作時，電流從兩個(ge)電源A、B起供電給負載，電流是(shi)大家加(jia)起來(lai)負(fu)載(zai)供電;能不(bu)能(neng)均流?均流不(bu)是(shi)或門二(er)管(guan)的(de)；二(er)個(ge)電源能不(bu)能(neng)均流?如(ru)果不(bu)能(neng)均流或者程度(du)的(de)均流，總的(de)來(lai)說(shuo)負(fu)載的(de)電流就是(shi)兩個(ge)電源A、B電流加(jia)起來(lai)的(de)。如(ru)果發(fa)生故障和短(duan)路，就會(hui)有反向電流，這時候妳需(xu)要“冷或門”器很(hen)快(kuai)把(ba)它(ta)關(guan)閉，要關得(de)很(hen)快(kuai)，這是(shi)重點(dian)。如(ru)果是(shi)二(er)管(guan)會自(zi)動熄(xi)止，如(ru)果用(yong)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)代替二(er)管(guan)，就需(xu)要關閉得(de)很(hen)。
這個(ge)沒問(wen)題(ti)，不(bu)但(dan)得(de)到二(er)管(guan)反向截(jie)止(zhi)的(de)好(hao)處，卻(que)只(zhi)有很(hen)小很(hen)低(di)的(de)壓(ya)降(jiang)，很(hen)低(di)的(de)內(nei)阻(zu)、導(dao)通電阻很(hen)低(di)的(de)效(xiao)果。要用(yong)到(dao)Cool-ORing的(de)優(you)點(dian)，就(jiu)需(xu)要以下(xia)的(de)條件，個(ge)很(hen)的(de)反向關(guan)熄(xi)，就要的(de)放(fang)電，看到(dao)柵(zha)放電電流達到(dao)4A，旦(dan)發(fa)生故障就(jiu)在200ns內(nei)關(guan)掉，這樣就比較。冷(leng)或門內(nei)部會(hui)監(jian)察輸入(ru)和輸出(chu)的(de)電壓差(cha)，有幾個(ge)毫(hao)伏就知道有沒有反向電流，旦(dan)有反向電流，就在200ns，般(ban)是(shi)150ns就可(ke)以(yi)把(ba)它(ta)關(guan)掉(diao)。
除(chu)了(le)剛才(cai)說(shuo)的(de)正(zheng)向低(di)壓(ya)降(jiang)導(dao)通，反向關(guan)閉外(wai)，還有很(hen)多小節(jie)，比(bi)如(ru)用(yong)電阻設(she)定欠(qian)壓點(dian);反向電流:有多長(chang)時間出(chu)現反向電流才算(suan)是(shi)發(fa)生故障呢(ne)？那(na)是(shi)可(ke)以(yi)編(bian)程的(de)，到(dao)底(di)多少(shao)時間才算(suan)出(chu)現故障是(shi)可(ke)以(yi)調(tiao)動(dong)的(de),還有過(guo)溫(wen)示警等等(deng);還可(ke)以(yi)把(ba)它(ta)們(men)並(bing)聯(lian)起(qi)來(lai)，產生大電流的(de)應(ying)用(yong)。就(jiu)是(shi)如(ru)果器件電流不(bu)夠(gou)，個(ge)Cool- Oring的(de)電流不(bu)夠(gou)，可(ke)以(yi)並(bing)聯(lian)起(qi)來(lai)，用(yong)主(zhu)從的(de)方(fang)式(shi)並(bing)聯(lian)起(qi)來(lai)，使電流達到(dao)100A。
我們有什麽(me)器件呢(ne)？現在器件並(bing)沒有太多；兩(liang)個(ge)概念：個(ge)是(shi)芯片，只(zhi)是(shi)芯片，只(zhi)是(shi)芯片就(jiu)是(shi)需(xu)要外(wai)置場效應管(guan)。另外(wai)個(ge)是(shi)做好場效應(ying)管(guan)在裏(li)邊(bian)，立即(ji)可(ke)以(yi)使用(yong)。這是(shi)個(ge)的(de)芯片，芯片需(xu)要您自(zi)己(ji)外(wai)加(jia)場效(xiao)應(ying)管(guan)，它就(jiu)可(ke)以(yi)很(hen)地(di)把(ba)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)如(ru)果發(fa)生故障的(de)時候，就把(ba)它(ta)關(guan)掉(diao)，達(da)到等同二(er)管(guan)的(de)反向截(jie)止(zhi)功能;正(zheng)常操(cao)作的(de)時候場效(xiao)應管(guan)要導(dao)通得(de)好，外(wai)置的(de)場(chang)效應管(guan)可(ke)以(yi)選擇低(di)導(dao)通電阻的(de)場(chang)效應管(guan)。
這個(ge)器件裏(li)面(mian)可(ke)以(yi)允許(xu)妳兩個(ge)背(bei)對背的(de)場(chang)效應管(guan)，這樣就可(ke)以(yi)達到從負載(zai)、供電切斷(duan)出(chu)來。這也需(xu)要得(de)好;個(ge)別的(de)型(xing)號沒時間在這裏(li)詳(xiang)細探(tan)討(tao);但(dan)起(qi)碼要知道(dao)些概念，起碼知道器件的(de)大小是(shi)什麽樣，可(ke)以(yi)看到(dao)是(shi)很(hen)小的(de)，3毫(hao)米×3毫(hao)米。這是(shi)帶(dai)有場效(xiao)應管(guan)的(de)CoolORing，有24A、1、12A。用(yong)的(de)場(chang)效管(guan)耐壓(ya)是(shi)8V、15V、30V，這是(shi)場效應管(guan)的(de)zui電壓，實(shi)際上(shang)用(yong)起(qi)來(lai)沒有這麽(me)，應(ying)該是(shi)5V、9.6V、12V母線的(de)應(ying)用(yong)。電流12A、1、 24A，大家可(ke)以(yi)看到(dao)這麽(me)小的(de)器件，可(ke)以(yi)帶(dai)這麽(me)大的(de)電流，算是(shi)好了(le)，還可(ke)以(yi)並(bing)聯(lian)增(zeng)加(jia)電流。利(li)用(yong)這個(ge)代(dai)替二(er)管(guan)，效果是(shi)怎麽樣的(de)？要做實(shi)驗才(cai)知(zhi)道(dao)，知道會(hui)是(shi)“冷”了(le)很(hen)多，需(xu)否(fou)要加(jia)散熱片?我們很(hen)多時候用(yong)電路板(ban)上(shang)的(de)銅片做散熱就足夠(gou)了(le)，功耗(hao)小。
在這個(ge)場(chang)合很(hen)難(nan)深入(ru)介(jie)紹(shao)，我們只(zhi)能說(shuo)說(shuo)幾(ji)個(ge)重(zhong)點(dian)。先(xian)我們看到(dao)導(dao)通電阻是(shi)2mΩ，場效應管(guan)，讓(rang)妳導(dao)通輸出(chu)電流，裏(li)面(mian)其(qi)他(ta)的(de)器件就(jiu)是(shi)怎麽這個(ge)場(chang)效應管(guan)。有幾個(ge)功(gong)能:像(xiang)內(nei)部的(de)線(xian)路是(shi)要穩壓(ya)供電的(de)，所(suo)以自身(shen)具(ju)備穩(wen)壓器,供電給內(nei)部器件，使操作正常(chang)。這裏(li)是(shi)可(ke)編(bian)程輸(shu)入(ru)欠(qian)壓(ya)及(ji)過(guo)壓(ya)偵測(ce)，它會(hui)顯示錯(cuo)誤(wu)的(de)信(xin)息，在正(zheng)常(chang)的(de)時候就會(hui)把(ba)錯(cuo)誤(wu)除(chu)掉。這裏(li)有兩個(ge)應(ying)對錯誤的(de)概念，正常(chang)操(cao)作下當然沒問(wen)題(ti)了(le)，如(ru)果不(bu)正(zheng)常，比如(ru)嚴重不(bu)正(zheng)常，發(fa)生反向電流，就需(xu)要且(qie)能(neng)夠(gou)把(ba)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)關掉(diao);有些情(qing)況是(shi)沒有發(fa)生重(zhong)要的(de)問(wen)題(ti)，只(zhi)是(shi)輸出(chu)電流太低(di)，就(jiu)只(zhi)需(xu)顯示錯(cuo)誤(wu)的(de)狀(zhuang)態(tai)，只(zhi)有顯示錯(cuo)誤(wu)的(de)信(xin)號而(er)不(bu)需(xu)關(guan)掉(diao)，讓(rang)妳系統偵測(ce)到有什麽(me)問(wen)題(ti)、什(shen)麽錯誤(wu)。總的(de)來(lai)說(shuo)，輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)的(de)範圍不(bu)對(dui)，就有顯示錯(cuo)誤(wu)，如(ru)果有反向電流就立即(ji)關(guan)掉，這就(jiu)是(shi)顯示故障信(xin)號的(de)情(qing)況。內(nei)置場效應管(guan)，低(di)的(de)內(nei)阻(zu);內(nei)部自(zi)己(ji)有供電;欠壓過(guo)壓(ya)會顯示信(xin)號;如(ru)果偵測(ce)到發(fa)生反向電流，就把(ba)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)關掉(diao)。
這是(shi)個(ge)應(ying)用(yong),是(shi)兩個(ge)電源，每(mei)個(ge)電源用(yong)冷(leng)或門配(pei)起(qi)來(lai)，供電負載。用(yong)上(shang)了(le)五(wu)個(ge)PI2121，就(jiu)可(ke)以(yi)達到100A電流。這張圖看到(dao)關(guan)閉冷或門有延時的(de)時間，內(nei)部有電荷要清除(chu)掉才(cai)能反向關(guan)閉。我們看到(dao)反向電流發(fa)生後(hou)在200ns可(ke)以(yi)關掉。發(fa)生故障必須要立即(ji)關(guan)掉，要，否(fou)則(ze)就(jiu)不(bu)。用(yong)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)代替二(er)管(guan)，zui重要的(de)就(jiu)是(shi)這點(dian):能(neng)不(bu)能(neng)很(hen)的(de)關(guan)掉。如(ru)果妳自己(ji)，場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)可(ke)以(yi)自己(ji)選(xuan)，可(ke)以(yi)加(jia)些偏(pian)壓，自(zi)己(ji)做(zuo)就(jiu)要考(kao)慮這個(ge)問(wen)題(ti):能(neng)不(bu)能(neng)關得(de)?
除(chu)了(le)我們公(gong)司(si)的(de)PI2121以(yi)外(wai)，市面(mian)上(shang)還有其(qi)他(ta)的(de)產(chan)品，大家的(de)能(neng)都(dou)大同(tong)小異(yi)，我們產(chan)品(pin)的(de)差(cha)別是(shi)器件有些地(di)方(fang)比較(jiao)理(li)想(xiang)，可(ke)以(yi)整體看看。功(gong)耗(hao)、體積是(shi)兩個(ge)重(zhong)點(dian)。大家能(neng)不(bu)能(neng)達到立即(ji)關(guan)掉的(de)目(mu)的(de)呢(ne)？都(dou)可(ke)以(yi)!關閉的(de)時間大同(tong)小異(yi)，NIS611關(guan)掉的(de)時間也，總的(de)來(lai)說(shuo)200ns就(jiu)夠(gou)了(le)，我們的(de)體積、功(gong)耗(hao)都(dou)是(shi)zui小的(de)。
評(ping)估板(ban)裏(li)面(mian)有兩個(ge)Cool-ORing，如(ru)果有路電源壞掉，都(dou)不(bu)會(hui)影響(xiang)負(fu)載(zai)的(de)供電，而(er)且(qie)正(zheng)常操作的(de)時候壓降(jiang)低(di)。市(shi)場上(shang)運用(yong)的(de)地(di)方(fang)就是(shi)供電電源備份的(de)地(di)方(fang)都(dou)可(ke)以(yi)應用(yong)，的(de)通(tong)信設(she)計、伺(si)服器都(dou)需(xu)要備份，備份需(xu)要二(er)管(guan)，如(ru)果用(yong)Cool-Oring代(dai)替二(er)管(guan)比較(jiao)理想(xiang)，功耗(hao)低(di)、體積小，競爭的(de)優(you)勢主要也是(shi)功耗(hao)低(di)、體積小，因(yin)為(wei)功耗(hao)被傳統的(de)二(er)管(guan)小十(shi)倍(bei)。 Cool-ORing已(yi)經(jing)是(shi)大規(gui)模應用(yong)的(de)器件，也有些應(ying)用(yong)的(de)文章可(ke)以(yi)告訴妳它應(ying)該怎麽(me)布(bu)線(xian)，怎(zen)麽(me)達到可(ke)靠(kao)的(de)效(xiao)果。
我想(xiang)補充(chong)點(dian)點(dian)的(de)是(shi)，Cool-Oring是(shi)用(yong)在輸(shu)出(chu)端的(de)。輸(shu)出(chu)端需(xu)要考(kao)慮的(de)東(dong)西，還有紋波和動態(tai)負(fu)載(zai)的(de)課(ke)題，紋波和動態(tai)負(fu)載(zai)有很(hen)多內(nei)容(rong)要談(tan)，但(dan)沒辦(ban)法在短(duan)時間內(nei)談(tan)。我們只(zhi)能在這裏(li)看看個(ge)例(li)子(zi)的(de)結(jie)果，我們有個(ge)QPO的(de)東(dong)西，把(ba)紋(wen)波衰(shuai)減，紋波衰(shuai)減的(de)目(mu)的(de)是(shi)什麽，就是(shi)使輸出(chu)的(de)紋(wen)波、負載(zai)的(de)紋(wen)波都(dou)沒有，這張圖可(ke)以(yi)很(hen)直(zhi)觀(guan)的(de)看到(dao)做(zuo)了(le)什麽(me)東(dong)西，在輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)間建(jian)立了(le)的(de)壓(ya)差(cha)－可(ke)以(yi)調(tiao)節(jie)的(de)壓(ya)差(cha)，讓(rang)紋(wen)波抵消(xiao)掉(diao)。剛才實(shi)驗的(de)結(jie)果就是(shi)，上(shang)面的(de)波型(xing)就(jiu)是(shi)輸入(ru)QPO的(de)紋(wen)波，就是(shi) DC-DC模塊輸(shu)出(chu)的(de)紋(wen)波，也不(bu)是(shi)很(hen)，80mＶ左(zuo)右(you)，QPO的(de)輸(shu)出(chu)紋波就低(di)很(hen)多了(le)。這是(shi)的(de)負(fu)載情(qing)況；還有10A時的(de)情(qing)況。除(chu)了(le)紋波衰(shuai)減以外(wai)，動態(tai)突(tu)變的(de)電流也是(shi)重要的(de)課(ke)題，負載(zai)突(tu)變而(er)電源卻不(bu)會(hui)立即(ji)能(neng)夠(gou)停止(zhi)或立即(ji)傳遞能量(liang)，所以(yi)輸出(chu)就會(hui)有過(guo)沖(chong)抖(dou)動，電源模塊能(neng)否(fou)在負(fu)載(zai)突(tu)變時，能量能(neng)不(bu)能(neng)立即(ji)傳輸、立即(ji)停(ting)止，是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)的(de)，所(suo)以肯(ken)定會(hui)發(fa)生輸(shu)出(chu)抖(dou)動。假(jia)如(ru)我們要穩住(zhu)負(fu)載(zai)電壓，怎麽穩(wen)住(zhu)呢(ne)？靠(kao)能(neng)量(liang)嗎(ma)？怎麽傳？我們只(zhi)是(shi)個(ge)電源模塊，只(zhi)是(shi)臺機器，機器只(zhi)能是(shi)快點(dian)、慢(man)點(dian)，如(ru)果負載(zai)突(tu)然發(fa)生，肯(ken)定不(bu)能(neng)立即(ji)補充(chong)能量(liang)，這時候就有壓降(jiang)。如(ru)果利(li)用(yong)QPO就(jiu)有這種(zhong)幫助，就(jiu)是(shi)把(ba)壓(ya)降(jiang)稀釋掉。動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)沒有萬的(de)辦(ban)法，每(mei)個(ge)情(qing)況都(dou)要的(de)個(ge)別考(kao)慮,不(bu)能(neng)在此(ci)詳(xiang)談(tan), QPO對(dui)某些動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)是(shi)有幫助(zhu)的(de)。另外(wai)，輸出(chu)端除(chu)了(le)QPO還有大功(gong)率(lv)的(de)紋(wen)波衰(shuai)減模塊，可(ke)以(yi)達到同(tong)樣的(de)結(jie)果。動態(tai)的(de)負(fu)載是(shi)很(hen)重(zhong)要的(de)，因(yin)為抖(dou)動既(ji)會(hui)沖擊電源，也會沖(chong)擊負載(zai)，在通(tong)訊(xun)會發(fa)生錯(cuo)誤(wu)、誤(wu)差(cha)的(de)問(wen)題(ti)，所(suo)以要盡量(liang)減少,就(jiu)是(shi)要盡量(liang)減少動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)引(yin)發(fa)的(de)輸(shu)出(chu)抖(dou)動,雖(sui)不(bu)能(neng)消除(chu),但(dan)要盡量(liang)減少。