基于N+1冗余的更可靠的电力系统设计解决方案

片上系统 (SoC) 设备可实现更高的集成度，而高密度现场可编程门阵列 (FPGA) 可让更多功能集成到工业系统中。 尽管如此，由于现在工业系统所扮演的角色，以前需要多种产品的支持才能实现，所以对故障容错和冗余的需求日益增长，这在控制器和电源上均有体现。

此外，更多的功能也带来了更多的高峰值电流需求。 在此类情况下，电力系统设计人员可以选择并联两个或多个装置。 并联除可满足峰值功率需求外，还具有长期应力较小，整体可靠性更佳的优点，利于实施‘n+1’冗余设计。

n+1 架构是指在系统中至少增加一个附加电源，当其他电源中有一个出现故障时，该电源即可为系统提供电能。 n+1 冗余架构是一种故障容错技术，对于较大规模的系统而言，其性价比相当高。 正常运行条件下，多个电源同时发生故障的概率是相当低的，因此在由 2 个或 3 个以分流模式运行的电源阵列中，增加一个附加电源并不会导致成本大幅增加。

通常使用的 n+1 冗余方法有两种。 第一种方法为：指定一个备用电源，让其处于冷待机或热待机状态。 尽管冷待机工作有利于延长备用电源的使用寿命，但故障发生后需要时间来启动该备用电源，这期间可能导致系统故障。 热待机可确保备用电源随时准备在电源组中的另一电源发生故障时投入运行，但由于备用电源的工作负载极低，因此能效也低，而且相对于冷待机电源，热待机电源承受的内部发热应力也要大得多。

通过让备用电源参与均流，可将各电源承受的应力在电源子系统中平衡。 一般而言，电源用于实现高输出负载的峰值效率，这意味着低于峰值负载的工作电流均流造成发热过多。 然而近年来的电源设计注重了低负载能效，让这个问题不再那么重要。 在使用高能效范围更广的电源时，可确保电源在正常工作时处于低热量输出区域，并在故障发生后进入高负载状态。

用于 n+1 冗余的解决方案提供数种级别，从全功率电源到 IC 级构建模块皆有。 在全功率电源级别，CUI VFK600 系列专为并联工作而设计。 并联时，连接其 PC 引脚即可将负载电流均分于两个模块上。 为实现并联工作，VFK600 可设置为两种不同的模式，一种用于并联工作，另一种用于 n+1 冗余工作，适用于需要备用电源时的负载。

VFK600 可提供功率高达 700 W 的隔离输出，采用坚固的金属外壳包装，带有集成散热器，适合与中间 DC 总线配套使用，提供 2:1 输入范围，从 18-36 VDC 电源或 36-77 VDC，转换降压至 12 至 48 VDC。 该电源具有内部短路保护和远程开/关控制功能。

尽管像 VFK600 这样的电源包含在 n+1 系统中工作的必要元件，但其他设计可能不包含，或者可能需要在电源设计中采用自定义方法。 因此，需要一种方法来实现多个并联电源的安全互连。 n+1 设计中通常使用的技术之一是：使用 Schottky ORing 二极管将冗余电源连接到负载上的公共点。

通常，ORing 设备是一种二极管，用于防止系统出现如输入电源短路等故障。 由于二极管只允许电流由单一方向流过，ORing 二极管可实现冗余总线的故障隔离，从而让系统使用剩余电源保持运行。

二极管将有效地瞬间断开输入电源短路。 然而，使用传统二极管也存在缺点。 在 ORing 应用中，二极管运行寿命的大部分时间都处于正向导通模式。由于二极管的固有压降会导致功率和热耗散，进而需要更加优化的热管理。

近年来，随着功率密度的增加，功率耗散升高的问题日显突出。在数据中心服务器等应用中，迫切需要尽可能多地降低强制风冷成本。

用 N 沟道 MOSFET 来代替 ORing 二极管要稍微复杂一些，但 MOSFET 的导热性更好，这就省去了高功率应用中对二极管散热器和类似热管理技术的需求，而代价则是略微增加了电路的复杂性。 有的控制器专为此用途而设计，比如 Texas Instruments LM5050-1。 这是一款正电压、高压侧 ORing 控制器，可促使外部 N 沟道 MOSFET 充当 ORing 二极管的替代品。

MOSFET 源极和漏极引脚上的电压由 LM5050-1 监控。 “栅极”输出引脚根据监控到的源极-漏极电压，促使 MOSFET 控制其运作。 由此构成了理想的整流器，即 MOSFET 的源极和漏极引脚各自充当二极管的阳极和阴极引脚。

图 1：TI LM5050-1 的框图。

LM5050-1 设计为当 MOSFET 源极和漏极引脚上的电压下降至约 30 mV 以下时，对 MOSFET 栅极至源极电压进行调节。 随着电压下降，栅极引脚电压将会随之下降，直至 MOSFET 的电压调节至 22 mV。 如果 MOSFET 电流反转（可能由于电源输入故障，使得 MOSFET 漏极和源极电压的负值超过大约 -30 mV），LM5050-1 会通过强放电晶体管促使 MOSFET 的栅极快速放电。

如果输入电源突然发生故障，就如同电源直接接地短路时一样，反向电流会暂时流经 MOSFET，直至栅极完全放电。 此反向电流来自负载电容和并联电源。 LM5050-1 通常会在 25 ns 内对电压反转情况作出响应。 断开 MOSFET 所需的实际时间取决于使用的 MOSFET 栅极电容所带的电荷量。 根据 TI，具有 47 nF 有效栅极电容的 MOSFET 通常可在 180 ns 内关闭。 如此快速的关闭时间可以最大限度减少输出端的电压扰动和来自冗余电源的电流瞬态。

当内部 LM5050-1 控制电路为 MOSFET 栅极放电时，输入电源的突发零欧姆短路极有可能会引起反向电流流动。 在此时间内，反向电流仅受 MOSFET 导通电阻、寄生布线电阻和电感的限制。 在最坏情形下，瞬态反向电流通常限制在 (Vout - Vin)/RDS(on)。

当 MOSFET 像这样突然关闭时，储存在寄生布线电感中的电能将传输至电路的其余部分。 因此，LM5050-1 可监控到测量引脚上的电压尖峰。 连接电源的引脚可通过二极管在负电压方向上将引脚箝位接地得到保护；另一引脚可使用 TVS 保护二极管、局部旁通电容器或两者来保护。

替代分立有源 ORing 电路的另一种方式是选择已封装的版本，例如 Vicor 的 Cool-ORing 系列设备。 这些设备在高密度热增强型 5 x 7 mm 栅格阵列 (LGA) 封装中融入了高速 ORing MOSFET 控制器和极低导通电阻 MOSFET。 这些解决方案的导通电阻低至 1.5 μΩ，可承受在各工作温度范围内高达 24 A 的连续负载电流。 此设计可用于低压、高侧应用；将支持电路共同封装，相对于分立解决方案，更能节省电路板空间。 元件对故障情况的响应速度高达 80 nS。 主/从功能允许设备并联，以满足高电流有源 ORing 的需求。

图 2：Picor Cool-ORing 解决方案对故障情况的响应。

通过允许电源安全耦合，ORing 解决方案支持以合理的费用，为工业和类似系统创建基于 n+1 冗余的更可靠的电力系统。