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VICOR冷或門(mén)COOL-ORing冗余、紋波、動(dòng)態(tài)負(fù)載的考慮——廣州源博
劉廣緣：大家好！歡迎大家早上來(lái)參加新型節(jié)能技術(shù)研討會(huì)，我是VICOR公司的劉廣緣，VICOR公司做一些高新電源模塊，高功率密度、很精良的電源模塊。VICOR公司有一個(gè)子公司，叫Picor。 Picor是專(zhuān)門(mén)做芯片的，就是電源周邊應(yīng)用的必要器件，今天我們要講的就是其中的一個(gè)在輸出端很重要的芯片，就是“冷或門(mén)”功能管。這節(jié)課題主要是關(guān)于輸出端需要注意的情況，會(huì)主要講或門(mén)二極管，也會(huì)跟大家探討動(dòng)態(tài)負(fù)載及紋波課題。
需要”冗余”是因?yàn)閷?duì)負(fù)載的供電需要很好、可靠的供電，不允許供電出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，但器件不可能不壞，就會(huì)要求要有冗余，需要備份，需要至少兩臺(tái)電源、兩組輸出但并在一起來(lái)供電。一組出現(xiàn)故障，一組還可以正常操作，這就是冗余的概念。這必須要用上或門(mén)二極管，比方有幾個(gè)電源對(duì)負(fù)載供電，如果要冗余大家各自要串一個(gè)二極管，這個(gè)二極管現(xiàn)在已有更好的器件代替，那就是Cool-ORing，就是“冷或門(mén)”。圖上這個(gè)冗余電源，一個(gè)從主電源來(lái)的，一個(gè)是電池過(guò)來(lái)，如果有一個(gè)出故障，另外一個(gè)還可以操作。另外這張圖表示N 1的均流冗余系統(tǒng)。
這個(gè)圖上的情況就是正常操作的時(shí)候，二極管全面導(dǎo)通，就像沒(méi)有作用一樣，負(fù)載電流是三個(gè)電源，就是三個(gè)電源加起來(lái)、共起來(lái)的總電流，這是正常操作的情況。萬(wàn)一有一個(gè)電源壞掉了，如果沒(méi)有二極管隔離，那就可能把負(fù)載拉低，不能對(duì)負(fù)載供電。比如這里出現(xiàn)輸出短路，把整個(gè)輸出短路，沒(méi)辦法對(duì)負(fù)載供電，這就需要二極管。如果發(fā)生什么故障的時(shí)候，二極管就能避免剛才發(fā)生把負(fù)載短路的情況。雖然應(yīng)用簡(jiǎn)單，可提供足夠的系統(tǒng)故障保護(hù)，但在正常工作狀態(tài)下卻有很多缺點(diǎn)。一般的二極管有0.45V的壓降，而且體積比較大。
那什么是有源或門(mén)？就是用場(chǎng)效應(yīng)管代替二極管的功能，他們的導(dǎo)通電阻很低，用場(chǎng)效應(yīng)管代替二極管，功耗可以小十倍。這里有一個(gè)非常重要的概念,場(chǎng)效應(yīng)管是雙向?qū)ǖ钠骷杂闷饋?lái)如果要達(dá)到二極管的功能，就有一個(gè)很重要的情況，就是發(fā)生故障的時(shí)候要關(guān)得很快速，這是一個(gè)重點(diǎn)。因?yàn)榘l(fā)生故障的時(shí)候，二極管自動(dòng)隔離，而場(chǎng)效應(yīng)管卻是相向?qū)ǖ�，所以必須把它關(guān)得很快。
比方3.3V，20A的負(fù)載，如果有一個(gè)非常好的二極管，壓降很低只有0.45V，那也有9W的功耗，那就要加一個(gè)很大的散熱片，或者需要風(fēng)扇，會(huì)占用很大的空間。用“冷或門(mén)”器件代替的話，功耗卻只是0.8W。大家可以看到照片上的大小對(duì)比，用二極管占用的體積會(huì)小很多。這個(gè)型號(hào)是PI2121的“冷或門(mén)”功能。正常操作時(shí)，電流從兩個(gè)電源A、B一起供電給負(fù)載，電流是大家加起來(lái)負(fù)載供電;能不能均流?均流不是或門(mén)二極管控制的；二個(gè)電源能不能均流?如果不能均流或者一定程度的均流，總的來(lái)說(shuō)負(fù)載的電流就是兩個(gè)電源A、B電流加起來(lái)的。如果發(fā)生故障和短路，就會(huì)有反向電流，這時(shí)候你需要“冷或門(mén)”控制器很快把它關(guān)閉，一定要關(guān)得很快，這是重點(diǎn)。如果是二極管會(huì)自動(dòng)熄止，如果用場(chǎng)效應(yīng)管代替二極管，就需要關(guān)閉得很快速。
這個(gè)沒(méi)問(wèn)題，不但完全得到二極管反向截止的好處，卻只有很小很低的壓降，很低的內(nèi)阻、導(dǎo)通電阻很低的效果。要用到Cool-ORing的優(yōu)點(diǎn)，就需要以下的條件，一個(gè)很快速的反向關(guān)熄，就要快速的放電，看到柵極放電電流達(dá)到4A，一旦發(fā)生故障就在200ns內(nèi)關(guān)掉，這樣就比較安全。冷或門(mén)內(nèi)部會(huì)監(jiān)察輸入和輸出的電壓差，有幾個(gè)毫伏就知道有沒(méi)有反向電流，一旦有反向電流，就在200ns，一般是150ns就可以把它關(guān)掉。
除了剛才說(shuō)的正向低壓降導(dǎo)通，反向快速關(guān)閉外，還有很多小節(jié)，比如用電阻設(shè)定欠壓點(diǎn);檢測(cè)反向電流:有多長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)反向電流才算是發(fā)生故障呢？那是可以編程的，到底多少時(shí)間才算出現(xiàn)故障是可以調(diào)動(dòng)的,還有過(guò)溫示警等等;還可以把它們并聯(lián)起來(lái)，產(chǎn)生更大電流的應(yīng)用。就是如果器件電流不夠，一個(gè)Cool- Oring的電流不夠，可以并聯(lián)起來(lái)，用主從的方式并聯(lián)起來(lái)，使電流達(dá)到100A。
我們有什么器件呢？現(xiàn)在器件并沒(méi)有太多；兩個(gè)概念：一個(gè)是控制芯片，只是控制芯片，只是控制芯片就是需要外置場(chǎng)效應(yīng)管。另外一個(gè)是做好場(chǎng)效應(yīng)管在里邊，立即可以使用。這是一個(gè)控制的芯片，控制芯片需要您自己外加場(chǎng)效應(yīng)管，它就可以很快速地把場(chǎng)效應(yīng)管如果發(fā)生故障的時(shí)候，就把它關(guān)掉，達(dá)到等同二極管的反向截止功能;正常操作的時(shí)候場(chǎng)效應(yīng)管要導(dǎo)通得非常好，外置的場(chǎng)效應(yīng)管可以選擇低導(dǎo)通電阻的場(chǎng)效應(yīng)管。
這個(gè)器件里面可以允許你控制兩個(gè)背對(duì)背的場(chǎng)效應(yīng)管，這樣就可以達(dá)到從負(fù)載、供電切斷出來(lái)。這也需要控制得好;個(gè)別的型號(hào)沒(méi)時(shí)間在這里詳細(xì)探討;但起碼要知道一些概念，起碼知道器件的大小是什么樣，可以看到是很小的，3毫米×3毫米。這是帶有場(chǎng)效應(yīng)管的CoolORing，有24A、15A、12A。用的場(chǎng)效管耐壓是8V、15V、30V，這是場(chǎng)效應(yīng)管的最高電壓，實(shí)際上用起來(lái)沒(méi)有這么高，應(yīng)該是5V、9.6V、12V母線的應(yīng)用。電流12A、15A、 24A，大家可以看到這么小的器件，可以帶這么大的電流，算是非常好了，還可以并聯(lián)增加電流。利用這個(gè)代替二極管，效果是怎么樣的？要做實(shí)驗(yàn)才知道，知道會(huì)是“冷”了很多，需否要加散熱片?我們很多時(shí)候用電路板上的銅片做散熱就足夠了，功耗非常小。
在這個(gè)場(chǎng)合很難深入介紹，我們只能說(shuō)說(shuō)幾個(gè)重點(diǎn)。首先我們看到導(dǎo)通電阻是2mΩ，場(chǎng)效應(yīng)管，讓你導(dǎo)通輸出電流，里面其他的器件就是怎么控制這個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管。有幾個(gè)功能:像內(nèi)部的線路是要穩(wěn)壓供電的，所以自身具備穩(wěn)壓器,供電給內(nèi)部器件，使操作正常。這里是可編程輸入欠壓及過(guò)壓偵測(cè)，它會(huì)顯示錯(cuò)誤的信息，在正常的時(shí)候就會(huì)把錯(cuò)誤除掉。這里有兩個(gè)應(yīng)對(duì)錯(cuò)誤的概念，正常操作下當(dāng)然沒(méi)問(wèn)題了，如果不正常，比如嚴(yán)重不正常，發(fā)生反向電流，就需要且能夠把場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)掉;有一些情況是沒(méi)有發(fā)生重要的問(wèn)題，只是輸出電流太低，就只需顯示錯(cuò)誤的狀態(tài)，只有顯示錯(cuò)誤的信號(hào)而不需關(guān)掉，讓你系統(tǒng)偵測(cè)到有什么問(wèn)題、什么錯(cuò)誤�？偟膩�(lái)說(shuō)，輸入輸出的范圍不對(duì)，就有顯示錯(cuò)誤，如果有反向電流就立即關(guān)掉，這就是顯示故障信號(hào)的情況。內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管，非常低的內(nèi)阻;內(nèi)部自己有供電;欠壓過(guò)壓會(huì)顯示信號(hào);如果偵測(cè)到發(fā)生反向電流，就把場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)掉。
這是一個(gè)典型應(yīng)用,是兩個(gè)電源，每一個(gè)電源用冷或門(mén)配起來(lái)，供電負(fù)載。用上了五個(gè)PI2121，就可以達(dá)到100A電流。這張圖看到關(guān)閉冷或門(mén)有延時(shí)的時(shí)間，內(nèi)部有電荷要清除掉才能反向關(guān)閉。我們看到反向電流發(fā)生后在200ns可以關(guān)掉。發(fā)生故障必須要立即關(guān)掉，要非�？焖伲駝t就不安全。用場(chǎng)效應(yīng)管代替二極管，最重要的就是這一點(diǎn):能不能很快速的關(guān)掉。如果你自己控制，場(chǎng)效應(yīng)管可以自己選，可以加一些偏壓，自己做就要考慮這個(gè)問(wèn)題:能不能關(guān)得非常快速?
除了我們公司的PI2121以外，市面上還有其他的產(chǎn)品，大家的性能都大同小異，我們產(chǎn)品的差別是器件有一些地方比較理想，可以整體看看。功耗、體積是兩個(gè)重點(diǎn)。大家能不能達(dá)到立即關(guān)掉的目的呢？都可以!關(guān)閉的時(shí)間大同小異，NIS611關(guān)掉的時(shí)間也非�？焖伲偟膩�(lái)說(shuō)200ns就夠了，我們的體積、功耗都是最小的。
評(píng)估板里面有兩個(gè)Cool-ORing，如果有一路電源壞掉，都不會(huì)影響負(fù)載的供電，而且正常操作的時(shí)候壓降非常低。市場(chǎng)上運(yùn)用的地方就是供電電源備份的地方都可以應(yīng)用，高可靠的通信設(shè)計(jì)、伺服器都需要備份，備份需要二極管，如果用Cool-Oring代替二極管比較理想，功耗低、體積小，競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)主要也是功耗低、體積小，因?yàn)楣谋粋鹘y(tǒng)的二極管小十倍。 Cool-ORing已經(jīng)是大規(guī)模應(yīng)用的器件，也有一些應(yīng)用的文章可以告訴你它應(yīng)該怎么布線，怎么達(dá)到可靠的效果。
我想補(bǔ)充一點(diǎn)點(diǎn)的是，Cool-Oring是用在輸出端的。輸出端需要考慮的東西，還有紋波和動(dòng)態(tài)負(fù)載的課題，紋波和動(dòng)態(tài)負(fù)載有很多內(nèi)容要談，但沒(méi)辦法在短時(shí)間內(nèi)談。我們只能在這里看看一個(gè)例子的結(jié)果，我們有一個(gè)QPO的東西，把紋波衰減，紋波衰減的目的是什么，就是使輸出的紋波、負(fù)載的紋波都沒(méi)有，這張圖可以很直觀的看到做了什么東西，在輸入輸出間建立了的壓差－可以調(diào)節(jié)的壓差，讓紋波抵消掉。剛才實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就是，上面的波型就是輸入QPO的紋波，就是 DC-DC模塊輸出的紋波，也不是很高，80mＶ左右，QPO的輸出紋波就低很多了。這是5A的負(fù)載情況；還有10A時(shí)的情況。除了紋波衰減以外，動(dòng)態(tài)突變的電流也是重要的課題，負(fù)載突變而電源卻不會(huì)立即能夠停止或立即傳遞能量，所以輸出就會(huì)有過(guò)沖抖動(dòng)，電源模塊能否在負(fù)載突變時(shí)，能量能不能立即傳輸、立即停止，是不可能的，所以肯定會(huì)發(fā)生輸出抖動(dòng)。假如我們要穩(wěn)住負(fù)載電壓，怎么穩(wěn)住呢？靠能量嗎？怎么傳？我們只是一個(gè)電源模塊，只是一臺(tái)機(jī)器，機(jī)器只能是快一點(diǎn)、慢一點(diǎn)，如果負(fù)載突然發(fā)生，肯定不能立即補(bǔ)充能量，這時(shí)候就有壓降。如果利用QPO就有這種幫助，就是把壓降稀釋掉。動(dòng)態(tài)負(fù)載沒(méi)有萬(wàn)全的辦法，每一個(gè)情況都要獨(dú)特的個(gè)別考慮,不能在此一一詳談, QPO對(duì)某些動(dòng)態(tài)負(fù)載是有幫助的。另外，輸出端除了QPO還有更大功率的紋波衰減模塊，可以達(dá)到同樣的結(jié)果。動(dòng)態(tài)的負(fù)載是很重要的，因?yàn)槎秳?dòng)既會(huì)沖擊電源，也會(huì)沖擊負(fù)載，在通訊會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤、誤差的問(wèn)題，所以一定要盡量減少,就是要盡量減少動(dòng)態(tài)負(fù)載引發(fā)的輸出抖動(dòng),雖不能消除,但要盡量減少。
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