一種全國(guó)產(chǎn)化方案冷或門(mén)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 波，周 新

(成都天奧電子股份有限公司，成都 610036)

0 引 言

機(jī)載設(shè)備對(duì)供電電源工作可靠性有著極高的要求，在供電電源出現(xiàn)波動(dòng)、閃變或其他極端情況時(shí)，要求電源能保證供電電壓的穩(wěn)定[1]，因此冗余電源[2]供電成為提高機(jī)載電源系統(tǒng)容量及長(zhǎng)期工作可靠性的一種有效手段。冗余電源供電通常采用兩路或多路電源并聯(lián)為負(fù)載供電，當(dāng)其中某個(gè)電源出現(xiàn)故障停止時(shí)，其他電源會(huì)繼續(xù)工作，并分擔(dān)輸出該路故障電源功率。為實(shí)現(xiàn)多路電源之間的故障隔離，每路電源輸出端通常采用二極管或冷或門(mén)電路進(jìn)行隔離。本文在分析傳統(tǒng)電源冗余供電故障隔離方式的優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)載電源冗余供電輸出故障隔離需求，提出了一種全國(guó)產(chǎn)化冷或門(mén)的實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)軟件仿真和實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 二極管或門(mén)電路

二極管具有單向?qū)ǖ奶匦?，通常在小功率冗余電源中使用。選用肖特基二極管，因?yàn)樵擃?lèi)型二極管相較于普通二極管管正向?qū)▔航蹈停瑫r(shí)具有負(fù)溫度特性，隨著溫度升高，正向?qū)▔航到档?，有利于降低?dǎo)通損耗。二極管或門(mén)電路應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 二極管或門(mén)電路

根據(jù)圖1，多路DC/DC變換器輸出端通過(guò)肖特基二極管以“或”的方式并聯(lián)為機(jī)載設(shè)備供電，當(dāng)其中一路DC/DC變換器出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響后級(jí)機(jī)載設(shè)備正常工作，同時(shí)二極管還起到了故障隔離的作用。

二極管或門(mén)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，但是由于二極管正向?qū)▔航档拇嬖?，在大電流情況下?lián)p耗大，發(fā)熱量高，降低了電源系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率，不利于機(jī)載電源這種低壓、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景使用。

2 場(chǎng)效應(yīng)管或門(mén)電路

為解決傳統(tǒng)二極管或門(mén)冗余電路存在的問(wèn)題，美國(guó)Vicor、Intersil[3]及AD等公司均推出了冷或門(mén)(Cool-oring)電路[4]。該類(lèi)型電路基于“或”方式場(chǎng)效應(yīng)管控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的二極管電路，利用場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通阻抗低的優(yōu)點(diǎn)(通常導(dǎo)通阻抗為毫歐級(jí))，能夠極大地降低大電流情況下的導(dǎo)通損耗，提高電源模塊轉(zhuǎn)換效率。其等效電路如圖2所示。

圖2 代替二極管或門(mén)電路

以AD公司為例，該公司先后推出了多種“或”方式場(chǎng)效應(yīng)管控制器，如LTC4352、LTC4359[5]、LTC4357[6]等型號(hào)，分別適用與不同輸入電壓范圍和功率等級(jí)。LTC4357典型應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 LTC4357典型應(yīng)用電路

圖3中，LTC4357控制外部N溝道場(chǎng)效應(yīng)管代替?zhèn)鹘y(tǒng)二級(jí)管功能，與傳統(tǒng)二極管或門(mén)電路相比，提供了一個(gè)較低損耗的通路，在大功率應(yīng)用場(chǎng)合中提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，且發(fā)熱量低，無(wú)需散熱器，節(jié)省了電路板空間，同時(shí)控制芯片內(nèi)部還集成了反向電流檢測(cè)關(guān)斷電路及場(chǎng)效應(yīng)管快速關(guān)斷電路，從而避免輸入供電電源故障情況下反向電流對(duì)電路的影響。

采用場(chǎng)效應(yīng)管冷或門(mén)電路，控制電路集成度高，保護(hù)功能完善，同時(shí)利用場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通阻抗小的特點(diǎn)，極大地減少了冷或門(mén)電路的功率損耗，降低了發(fā)熱量，提高了電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，缺點(diǎn)在于目前該類(lèi)型芯片均為國(guó)外芯片公司生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)芯片還處于研發(fā)階段，尚未通過(guò)大批量工程應(yīng)用驗(yàn)證，成為機(jī)載電源冗余供電全國(guó)化設(shè)計(jì)方案亟待解決的技術(shù)瓶頸之一。

3 國(guó)產(chǎn)化冷或門(mén)電路

基于機(jī)載設(shè)備冗余電源供電對(duì)國(guó)產(chǎn)化冷或門(mén)電路的使用需求，本文提出了一種基于P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的全國(guó)產(chǎn)化冷或門(mén)電路設(shè)計(jì)方案。

3.1 雙路輸入冷或門(mén)電路原理框圖

圖4為雙路輸入冷或門(mén)電路構(gòu)成原理框圖，可以看到冷或門(mén)電路由理想二極管電路、快速關(guān)斷電路和電壓監(jiān)測(cè)/控制電路構(gòu)成。

圖4 雙輸入冷或門(mén)工作原理框圖

輸入電源A、B經(jīng)過(guò)P溝道場(chǎng)管構(gòu)成的理想二極管電路后并聯(lián)在一起為后級(jí)用電設(shè)備供電，電壓監(jiān)測(cè)/控制電路監(jiān)測(cè)A、B兩路供電電源輸入電壓和輸出電壓，當(dāng)其中一路供電電源發(fā)生故障時(shí)，電壓監(jiān)測(cè)/控制電路動(dòng)作，并通過(guò)控制快速關(guān)斷電路將故障回路的場(chǎng)效應(yīng)管快速關(guān)斷，將故障支路隔離。

3.2 場(chǎng)效應(yīng)管快速關(guān)斷電路

由圖4可知，極端情況下，如輸入電源A出現(xiàn)短路失效故障，輸出端母線(xiàn)電壓可通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管V1 和輸入電源A形成放電回路，場(chǎng)效應(yīng)管V1由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截至狀態(tài)需要一定轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此，需要場(chǎng)管V1進(jìn)行快速關(guān)斷，以避免在此期間放電回路形成較大的反向電流，損壞回路器件。P溝道場(chǎng)管快速關(guān)斷電路如圖5所示。

圖5 P溝道場(chǎng)管快速關(guān)斷電路工作原理圖(開(kāi)機(jī))

由圖5可以看到，上電后，三級(jí)管V3基極施加高電平導(dǎo)通，輸入電源Vin一方面通過(guò)電阻R1、R2、三極管V3回路導(dǎo)通，通過(guò)電阻R1、R2分壓得到場(chǎng)管V1工作所需驅(qū)動(dòng)電壓，場(chǎng)管V1導(dǎo)通；另一方面，輸入電源Vin經(jīng)過(guò)電阻R1、二極管D2、電阻R3、電容C2、三極管V3回路為電容器C2充電儲(chǔ)能，電容C2兩端最終電壓約為電阻R2兩端電壓減去二極管D2管壓降，C2充電完成后該回路斷開(kāi)。

圖6為場(chǎng)管快速關(guān)斷電路在關(guān)機(jī)過(guò)程工作原理圖。關(guān)機(jī)過(guò)程中，三極管V3基極施加低電平關(guān)斷，電容器C2通過(guò)電阻R3、三極管V2、電阻R2形成放電回路，三極管V2導(dǎo)通，將場(chǎng)效應(yīng)管Vgs電壓快速拉低，從而達(dá)到快速關(guān)斷的目的。

圖6 P溝道場(chǎng)管快速關(guān)斷電路工作原理圖(關(guān)機(jī))

3.3 雙輸入冷或門(mén)電路

雙路輸入冷或門(mén)電路原理圖如圖7所示，其中理想二極管電路由P溝道場(chǎng)效應(yīng)管V1、V2構(gòu)成，控制電路由比較器U1、U2及外圍電路構(gòu)成，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷電路采用圖6所示快速關(guān)斷電路。

圖7 雙路輸入冷或門(mén)電路原理圖

正常工作時(shí)，場(chǎng)管V1寄生二極管D1先導(dǎo)通，比較器U1負(fù)端輸入電壓為UA，正端輸入電壓為UB，UA電壓比UB電壓高出二極管D1管壓降，因此比較器輸出為負(fù)，VINA通過(guò)二極管D1、穩(wěn)壓管D3、電阻R4、比較器U1、穩(wěn)壓管D4形成回路，場(chǎng)管Vgs電壓由穩(wěn)壓管D3穩(wěn)定在-10 V,場(chǎng)管V1導(dǎo)通，回路電流由通過(guò)V1流向負(fù)載；同理，VINB供電單元場(chǎng)管V3正常工作后，回路電流通過(guò)V3流向負(fù)載。

機(jī)載電源實(shí)際使用中，雙路輸入電源VINA和VINB為前級(jí)DC/DC變換器輸出端電壓，已經(jīng)過(guò)二次穩(wěn)壓，電壓穩(wěn)定度高，主要失效模塊為開(kāi)路和短路兩種情況。下面針對(duì)兩種故障失效模式，分別對(duì)冷或門(mén)工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖8所示，若雙路輸入冷或門(mén)輸入電源VINA出現(xiàn)開(kāi)路故障，輸出母線(xiàn)電壓通過(guò)電阻R7、二極管D5、電阻R1，R2形成回路，比較器U1輸入正端與負(fù)端之間被二極管D5鉗位在0.3 V左右，此時(shí)，比較器輸出為高阻狀態(tài)，場(chǎng)管快速關(guān)斷電路開(kāi)始工作，電容C2通過(guò)電阻R5、三極管V2、電阻R4形成放電回路，快速將場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)電壓拉低，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)管V1的快速關(guān)斷。

圖8 輸入電源VINA開(kāi)路

圖9為雙路輸入冷或門(mén)輸入電源VINA出現(xiàn)短路的情況，此時(shí)，輸入電源VINA拉低到零，輸出電壓通過(guò)電阻R7、二極管D5、電阻R1和輸入電源地形成回路，比較器U1輸入正端與負(fù)端之間被二極管D5鉗位在0.3 V左右，比較器輸出為高阻態(tài)，場(chǎng)管快速關(guān)斷電路開(kāi)始工作，電容C2通過(guò)電阻R5、三極管V2、電阻R4形成放電回路，快速將場(chǎng)管驅(qū)動(dòng)電壓拉低，關(guān)斷場(chǎng)管V1。

圖9 輸入電源VINA短路

3.4 仿真波形驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙路輸入冷或門(mén)電路設(shè)計(jì)的有效性，按機(jī)載電源供電環(huán)境，采用電路仿真軟件對(duì)該電路方案進(jìn)行驗(yàn)證，主要仿真參數(shù)：輸入電壓28 V DC；輸出電流20 A；輸入電壓短時(shí)短路時(shí)間100 ms。模擬VINA電源輸入短路情況下，雙路輸入冷或門(mén)工作狀態(tài)，仿真波形如圖10和圖11所示。

圖10 VINA輸入電流仿真波形(無(wú)快速關(guān)斷電路)

圖11 VINA輸入電流仿真波形局部圖(無(wú)快速關(guān)斷電路)

從圖10和圖11的仿真波形可以看到，雙路輸入冷或門(mén)電路，當(dāng)負(fù)載電流為20 A時(shí)，單路承擔(dān)電流10 A，在一路輸入供電電源發(fā)生短路時(shí)，由于場(chǎng)管GS端結(jié)電容放電需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致場(chǎng)管不能快速關(guān)斷，因此形成約6 A的反向電流。

圖12和圖13為使用場(chǎng)管快速關(guān)斷電路后輸入電流仿真波形，可以看到場(chǎng)管快速關(guān)斷電路能夠極大地加快場(chǎng)管的關(guān)斷時(shí)間，降低了輸入電源短路期間反向電流的幅度。從仿真結(jié)果來(lái)看，輸入反向電流由6 A降低至0.5 A。

圖12 VINA輸入電流仿真波形(使用快速關(guān)斷電路)

圖13 VINA輸入電流仿真波形局部圖(使用快速關(guān)斷電路)

圖14為一路輸入電源發(fā)生短路時(shí)，輸入與輸出電壓仿真波形。由仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)其中一路28 V輸入發(fā)生短路時(shí)，冷或門(mén)電路自動(dòng)完成輸入供電電源的切換，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。

圖14 輸入與輸出電壓仿真波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證冷或門(mén)電路設(shè)計(jì)的有效性，按照?qǐng)D7所示電路結(jié)構(gòu)制作了兩個(gè)冷或門(mén)電路樣件。相較于進(jìn)口冷或門(mén)電路，由于采用了P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，雖簡(jiǎn)化了控制電路，但其導(dǎo)通阻抗要比N溝道場(chǎng)效應(yīng)管更大，實(shí)際使用過(guò)程中采用兩只P溝道場(chǎng)管并聯(lián)工作以降低導(dǎo)通損耗。樣件實(shí)物圖如圖15所示。

圖15 冷或門(mén)電路實(shí)物圖

冷或門(mén)電路最大輸入電壓為60 V DC，額定工作電流20 A，所有元器件均選用國(guó)產(chǎn)器件，主要元器件型號(hào)及廠(chǎng)家見(jiàn)表1。

表1 主要元器件表

圖16和圖17為試驗(yàn)測(cè)試波形，VINA為A路輸入電壓波形，VINB為B路輸入電壓波形，IINB為B路輸入電流波形。由圖16(a)可以看到，當(dāng)A路供電電源關(guān)斷時(shí)，B路供電電源承擔(dān)全部輸出功率，輸入電流IINB由約9 A增加至20 A。由圖16(b)為可以看到，B路供電消失后，輸入端電流由約9 A降至零，負(fù)載功率由A路供電電源承擔(dān)。由圖17可看到，當(dāng)A路供電電源關(guān)斷時(shí)，輸出功率由B路供電電源提供，雙輸入冷或門(mén)電路自動(dòng)切換，輸出電壓VOUT保持穩(wěn)定。

(a)A路關(guān)斷

(b)B路關(guān)斷

圖17 VINA、VINB和輸出電壓VOUT波形

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于全國(guó)產(chǎn)化器件的冷或門(mén)電路設(shè)計(jì)方案，外圍元器件少，控制電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，能夠有效應(yīng)用于機(jī)載電源冗余供電電路設(shè)計(jì)中，在起到故障隔離的同時(shí)降低通路損耗，提高電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。該電路所使用的阻容、集成電路芯片及半導(dǎo)體器件均選用國(guó)內(nèi)主流廠(chǎng)家貨架產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期和可靠性能有效控制。仿真及樣件測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的有效性。