冗余电源原理浅谈

冗余电源原理浅谈
开发部：黄向锋 日 期：2011/8/02
中国长城计算机深圳股份有限公司电源事业部
China Great Wall Computer Shenzhen CO.,LTD Power Div

冗余开关电源的设计
提 纲 冗余开关电源的介绍 隔离设计方案及线路分析 均流设计方案及线路分析 冗余电源设计的几个注意事项 冗余服务器的模块化设计 冗余电源的前景

冗余开关电源的介绍 冗余开关电源的介绍
一、冗余电源的定义
冗余电源是指多个电源（N+1方式）同时给同一或多个设备供电，当其中1个电 源出现故障时，其他电源可以不受其影响，不中断设备的正常运行。
二、冗余电源的分类
类型 一 冗余冷备份 类型定义 电源由多个功能相同的模块组成， 正常时由其中一个供电，当其故障 时，备份模块立刻启动投入工作 电源由多个相同单元组成，各单元 通过或门二极管并联在 一起，由各单元同时向设备供电 电源由多个单组成，并且同时工作 ，但只由其中一个向设备供电，其 他轻载 应用优弱分析 这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔， 容易造成电压豁口，从而导致系统停机。
二
并联均流的N＋1 备份
这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载 端短路时容易波及所有单元
三
冗余热备份
主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很 小，电源成本投入大

冗余开关电源的介绍
三、冗余开关电源的应用
冗余电源常用于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通 信设备、监控设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源 是其中的关部分，在高可用系统中起着重要作用。
问题：能否把多个电源的输出电压直接连在一起同时给设备就能达到冗余电源的效果呢？
未做隔离电源间容易产生干扰，严重情况 下可能会引起某一机台炸机或无法开机。
开关电源的隔离设计

冗余开关电源隔离线路的设计
隔离设计方案及线路分析
一、传统冗余电源隔离方案： • 1、优点：由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联
输出至电源总线上，工作可靠性高，不会出现电源间相互干扰。
V1
D 24
Vout
8
P 10V4 FR 5CT
L11
D 34 B34 0A D 35
+ SB 5V *
R 39 C 7 * * R 40 430 R C 10 470 F/C U G R B 81 R81 C R 86 100 R C 9 470 F/C U G
7
U 1A P 23 C1
R 47 1K C 15
R 87 5.1 K
R 89 N C
• 2、缺点：由于二极管本身压降Vf值较大，从
而会引入两个缺点：
470 F/C U G C 17 470 F/C U G C 18 470 F/C U G R 90 4.9 9K
R 48 T 4 L 31 U 4 1K
• A：电源输出总线电压
Vout=V1 – Vf，当输出电压 Vout*5%小于Vf时，就可能出 现输出电压难调的问题。如 3.3V – 0.3V=3.0V小于3.14V
改善方案
在环路的反馈线上加一个较低Vf的二极 管并于隔离二极管的线路上，从而减 小因隔离二极管引起的电压影响。这 样的线路常在冗余电源的待机线路中 应用。

冗余开关电源隔离线路的设计
• B：在实际的冗余电源系统中
，一般电流都比较大,因而电流 经过二极管的固有功耗P = Vf × Iout 就会很大。
因大功率的固有二极管Vf一般都在0.3V以上，我们 只有加散热片等方式来弥补其先天性缺陷。
改善方案
采用低功耗的大功率的MOSFET管来代替传统电路 中的二极管。
二、采用分离器件+ MOS管方式做冗余电源隔离方案：
R 62
• 1、线路图及工 作原理：
+ V 18 R 51 2.2 1K C 19 2.2 F U Z 2 D 12V
Q 18 P B 440 M T 3
R 52 2.2 1K
20K
Q 2 P B 440 M T 1 R 58 47K R 23 4.7 R C 24 10N F Q 24 015 04N N Q 3 P B 440 M T 1
R 57 47K
C 21 N C
+ V 12 in
+ V U 12 O T
P O W K 10U1V 50 F 6 / C 40 R 1 N C R 54 100 K
Q 20 2N 002 7
Q 25 015 04N N
S N G D
V b +12 F V Q 2 V CM C R20 V a R23 4.7 R R58
Q 24 RD S(on)
V c +12 O T V U +12 F V
V b
R54 100 K
V c +12 O T V U
Q 2 V CM C D 19 D 19 V a
R58
A、当顺流时Va=Vc+Vd=Vq+Vr,因为Q2导通条件：Va-Vb>Vd,但这里Va-Vb

冗余开关电源隔离线路的设计
• 2、优点：MOSFET的导通内阻可以到几mΩ，大大降低了压降损耗。在大功率应用中，不
仅实现了效率更高的解决方案，而且由于无需散热器，所以节省了大量的电路板面积，也减少 了设备的散热源。同时周围器件少，成本也不高。
• 3、缺点：该线路当MOSFET的的选用R DS(on) 过小，根据线路分析，可能出现
Va-Vb所得的电压无法开启Q2的情况，导致隔离线路不受控从而引起大电流到灌的 不良情况发生。
三、采用IC控制 MOS管方式做冗余电源隔离方案：
• 1、线路图：
• 工作原理： 该电路的工作原理是，LTC4416通过G1、G2控制2个MOSFET同时导通，使2 路输入同时给 负载提供电流。当输入电源电压不同时，输出电源电压可能高于某路输入电源电压，这时 LTC4416可以防止输出向输入倒灌电流。这是因为芯片一直监测输入与输出之间的电压差， 当输出侧电压比输入侧电压高25 mV时，芯片控制G1或G2立即关断MOSFET，防止电
流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片也是类似的原理。