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VICOR冷或門COOL-ORing冗余、紋波、動態(tài)負載的考慮——廣州源博
劉廣緣：大家好！歡迎大家早上來參加新型節(jié)能技術研討會，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公司有一個子公司，叫Picor。 Picor是專門做芯片的，就是電源周邊應用的必要器件，今天我們要講的就是其中的一個在輸出端很重要的芯片，就是“冷或門”功能管。這節(jié)課題主要是關于輸出端需要注意的情況，會主要講或門二極管，也會跟大家探討動態(tài)負載及紋波課題。
需要”冗余”是因為對負載的供電需要很好、可靠的供電，不允許供電出現(xiàn)任何錯誤，但器件不可能不壞，就會要求要有冗余，需要備份，需要至少兩臺電源、兩組輸出但并在一起來供電。一組出現(xiàn)故障，一組還可以正常操作，這就是冗余的概念。這必須要用上或門二極管，比方有幾個電源對負載供電，如果要冗余大家各自要串一個二極管，這個二極管現(xiàn)在已有更好的器件代替，那就是Cool-ORing，就是“冷或門”。圖上這個冗余電源，一個從主電源來的，一個是電池過來，如果有一個出故障，另外一個還可以操作。另外這張圖表示N 1的均流冗余系統(tǒng)。
這個圖上的情況就是正常操作的時候，二極管全面導通，就像沒有作用一樣，負載電流是三個電源，就是三個電源加起來、共起來的總電流，這是正常操作的情況。萬一有一個電源壞掉了，如果沒有二極管隔離，那就可能把負載拉低，不能對負載供電。比如這里出現(xiàn)輸出短路，把整個輸出短路，沒辦法對負載供電，這就需要二極管。如果發(fā)生什么故障的時候，二極管就能避免剛才發(fā)生把負載短路的情況。雖然應用簡單，可提供足夠的系統(tǒng)故障保護，但在正常工作狀態(tài)下卻有很多缺點。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？就是用場效應管代替二極管的功能，他們的導通電阻很低，用場效應管代替二極管，功耗可以小十倍。這里有一個非常重要的概念,場效應管是雙向導通的器件，所以用起來如果要達到二極管的功能，就有一個很重要的情況，就是發(fā)生故障的時候要關得很快速，這是一個重點。因為發(fā)生故障的時候，二極管自動隔離，而場效應管卻是相向導通的，所以必須把它關得很快。
比方3.3V，20A的負載，如果有一個非常好的二極管，壓降很低只有0.45V，那也有9W的功耗，那就要加一個很大的散熱片，或者需要風扇，會占用很大的空間。用“冷或門”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比，用二極管占用的體積會小很多。這個型號是PI2121的“冷或門”功能。正常操作時，電流從兩個電源A、B一起供電給負載，電流是大家加起來負載供電;能不能均流?均流不是或門二極管控制的；二個電源能不能均流?如果不能均流或者一定程度的均流，總的來說負載的電流就是兩個電源A、B電流加起來的。如果發(fā)生故障和短路，就會有反向電流，這時候你需要“冷或門”控制器很快把它關閉，一定要關得很快，這是重點。如果是二極管會自動熄止，如果用場效應管代替二極管，就需要關閉得很快速。
這個沒問題，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，很低的內阻、導通電阻很低的效果。要用到Cool-ORing的優(yōu)點，就需要以下的條件，一個很快速的反向關熄，就要快速的放電，看到柵極放電電流達到4A，一旦發(fā)生故障就在200ns內關掉，這樣就比較安全。冷或門內部會監(jiān)察輸入和輸出的電壓差，有幾個毫伏就知道有沒有反向電流，一旦有反向電流，就在200ns，一般是150ns就可以把它關掉。
除了剛才說的正向低壓降導通，反向快速關閉外，還有很多小節(jié)，比如用電阻設定欠壓點;檢測反向電流:有多長時間出現(xiàn)反向電流才算是發(fā)生故障呢？那是可以編程的，到底多少時間才算出現(xiàn)故障是可以調動的,還有過溫示警等等;還可以把它們并聯(lián)起來，產生更大電流的應用。就是如果器件電流不夠，一個Cool- Oring的電流不夠，可以并聯(lián)起來，用主從的方式并聯(lián)起來，使電流達到100A。
我們有什么器件呢？現(xiàn)在器件并沒有太多；兩個概念：一個是控制芯片，只是控制芯片，只是控制芯片就是需要外置場效應管。另外一個是做好場效應管在里邊，立即可以使用。這是一個控制的芯片，控制芯片需要您自己外加場效應管，它就可以很快速地把場效應管如果發(fā)生故障的時候，就把它關掉，達到等同二極管的反向截止功能;正常操作的時候場效應管要導通得非常好，外置的場效應管可以選擇低導通電阻的場效應管。
這個器件里面可以允許你控制兩個背對背的場效應管，這樣就可以達到從負載、供電切斷出來。這也需要控制得好;個別的型號沒時間在這里詳細探討;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。這是帶有場效應管的CoolORing，有24A、15A、12A。用的場效管耐壓是8V、15V、30V，這是場效應管的最高電壓，實際上用起來沒有這么高，應該是5V、9.6V、12V母線的應用。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。利用這個代替二極管，效果是怎么樣的？要做實驗才知道，知道會是“冷”了很多，需否要加散熱片?我們很多時候用電路板上的銅片做散熱就足夠了，功耗非常小。
在這個場合很難深入介紹，我們只能說說幾個重點。首先我們看到導通電阻是2mΩ，場效應管，讓你導通輸出電流，里面其他的器件就是怎么控制這個場效應管。有幾個功能:像內部的線路是要穩(wěn)壓供電的，所以自身具備穩(wěn)壓器,供電給內部器件，使操作正常。這里是可編程輸入欠壓及過壓偵測，它會顯示錯誤的信息，在正常的時候就會把錯誤除掉。這里有兩個應對錯誤的概念，正常操作下當然沒問題了，如果不正常，比如嚴重不正常，發(fā)生反向電流，就需要且能夠把場效應管關掉;有一些情況是沒有發(fā)生重要的問題，只是輸出電流太低，就只需顯示錯誤的狀態(tài)，只有顯示錯誤的信號而不需關掉，讓你系統(tǒng)偵測到有什么問題、什么錯誤�？偟膩碚f，輸入輸出的范圍不對，就有顯示錯誤，如果有反向電流就立即關掉，這就是顯示故障信號的情況。內置場效應管，非常低的內阻;內部自己有供電;欠壓過壓會顯示信號;如果偵測到發(fā)生反向電流，就把場效應管關掉。
這是一個典型應用,是兩個電源，每一個電源用冷或門配起來，供電負載。用上了五個PI2121，就可以達到100A電流。這張圖看到關閉冷或門有延時的時間，內部有電荷要清除掉才能反向關閉。我們看到反向電流發(fā)生后在200ns可以關掉。發(fā)生故障必須要立即關掉，要非�？焖伲駝t就不安全。用場效應管代替二極管，最重要的就是這一點:能不能很快速的關掉。如果你自己控制，場效應管可以自己選，可以加一些偏壓，自己做就要考慮這個問題:能不能關得非�？焖�?
除了我們公司的PI2121以外，市面上還有其他的產品，大家的性能都大同小異，我們產品的差別是器件有一些地方比較理想，可以整體看看。功耗、體積是兩個重點。大家能不能達到立即關掉的目的呢？都可以!關閉的時間大同小異，NIS611關掉的時間也非�？焖�，總的來說200ns就夠了，我們的體積、功耗都是最小的。
評估板里面有兩個Cool-ORing，如果有一路電源壞掉，都不會影響負載的供電，而且正常操作的時候壓降非常低。市場上運用的地方就是供電電源備份的地方都可以應用，高可靠的通信設計、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，競爭的優(yōu)勢主要也是功耗低、體積小，因為功耗被傳統(tǒng)的二極管小十倍。 Cool-ORing已經是大規(guī)模應用的器件，也有一些應用的文章可以告訴你它應該怎么布線，怎么達到可靠的效果。
我想補充一點點的是，Cool-Oring是用在輸出端的。輸出端需要考慮的東西，還有紋波和動態(tài)負載的課題，紋波和動態(tài)負載有很多內容要談，但沒辦法在短時間內談。我們只能在這里看看一個例子的結果，我們有一個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、負載的紋波都沒有，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－可以調節(jié)的壓差，讓紋波抵消掉。剛才實驗的結果就是，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的負載情況；還有10A時的情況。除了紋波衰減以外，動態(tài)突變的電流也是重要的課題，負載突變而電源卻不會立即能夠停止或立即傳遞能量，所以輸出就會有過沖抖動，電源模塊能否在負載突變時，能量能不能立即傳輸、立即停止，是不可能的，所以肯定會發(fā)生輸出抖動。假如我們要穩(wěn)住負載電壓，怎么穩(wěn)住呢？靠能量嗎？怎么傳？我們只是一個電源模塊，只是一臺機器，機器只能是快一點、慢一點，如果負載突然發(fā)生，肯定不能立即補充能量，這時候就有壓降。如果利用QPO就有這種幫助，就是把壓降稀釋掉。動態(tài)負載沒有萬全的辦法，每一個情況都要獨特的個別考慮,不能在此一一詳談, QPO對某些動態(tài)負載是有幫助的。另外，輸出端除了QPO還有更大功率的紋波衰減模塊，可以達到同樣的結果。動態(tài)的負載是很重要的，因為抖動既會沖擊電源，也會沖擊負載，在通訊會發(fā)生錯誤、誤差的問題，所以一定要盡量減少,就是要盡量減少動態(tài)負載引發(fā)的輸出抖動,雖不能消除,但要盡量減少。
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