面向高可靠系統的冗余電源設計

揚州萬方電子技術有限責任公司 金以琴

傳統電源不具備冗余功能，在為某些高功率、高可靠性的系統供電時經常出現單點故障。為此，基于TI公司集成熱插拔和“或”控制器TPS24742設計一款冗余電源。本文首先介紹該冗余電源的供電結構，熱插拔和“或”控制器TPS24742的主要特性，最后結合一應用實例分析在設計過程中的設計考慮和部分器件的選型。經過可靠性測試和實地測試該電源能夠，滿足可靠性、小型化、快速維修的需求，為高可靠系統提供不間斷供電，可為其它類似系統提供設計參考。

對于一些需要長時間工作甚至零停機要求的高可靠系統，如基站通信設備、監控設備、服務器等，一個高可靠的電源供應系統必不可少，無冗余電源結構的電源經常出現單點故障，最終導致整個系統的崩潰，為此采用冗余電源結構可以消除供電的單點故障，提高系統供電的可靠性。

冗余電源結構即多個電源并聯供電，同時承擔系統負荷。其具備兩個特點，一是負載可伸縮，確保系統穩定運行。當系統中某個電源出現故障時，剩余的電源會平均承擔多出來的負載，不中斷系統的正常運行；其二是，不停機維護。冗余結構的電源還具備熱插拔功能，熱插拔技術可實現電源連續運行和不停機維護，確保整個系統的穩定運行。“熱拔插”即帶電插拔，是指系統在上電工作的情況下，將其內部板卡插入或拔出而不影響系統的正常運行，從而提高了系統的可靠性、快速維修性、冗余性和對災難的及時恢復能力等。

為替換升級傳統電路使用二極管進行冗余電源的設計，進一步小型化、集成化進行冗余電源的改進設計，基于TI公司集成熱插拔和“或”控制器TPS24742設計一款冗余電源。基于TPS24742面向高可靠系統的冗余電源采用大功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)來替代傳統電路的二極管，MOSFET導通電阻極低，大大降低了壓降損耗，無需增加額外散熱器，節約了電路板面積，提高了效率，該冗余電源保護功能完善，可以靈活設置限制電流、功率參數以及快速響應等參數，實現安全的熱插拔和快速隔離故障功能，滿足服務器等高可靠系統的不間斷供電、快速維護等需求。本文首先介紹該冗余電源的供電結構，熱插拔和“或”控制器TPS24742的主要特性，最后結合一應用實例分析在設計過程中的設計考慮和部分器件的選型。

1 冗余電源的供電結構

冗余電源供電框圖如圖1所示，由n個電源構成的冗余結構中，電源輸入、系統負載及均流信號為每個電源公共電氣通路，它們共用總線，即輸入總線、負載總線及均流總線。輸入總線連接系統外部的交流或直流輸入并分配到每個電源的輸入；負載總線用于連接每個電源的輸出到系統負載，通常先給背板再分配給其它板卡供電；均流總線連接每個電源的均流信號，確保每個并聯工作的電源輸出電流均衡分配。每個電源具有相同的結構和功能，具有電壓變換器、熱插拔控制器及“或”控制器，在系統中可以互換。

圖1 冗余電源供電框圖

系統在運行過程中，當某個電源故障時，“或”控制器會控制斷開故障電源，使故障電源自動從電路中隔離出去，實現對故障電源與負載總線的隔離，不會影響其它電源的運行，剩余的電源會自動平均承擔多出來的電源負載，此時故障電源會有故障提示，以提醒用戶更換故障電源。用戶發現電源故障后，可以帶電拔出故障電源并插入替換電源，熱插拔控制器會控制在插拔電源時的沖擊電流，將電源母線上的瞬時電流控制在比較低的安全水平,防止造成負載總線的電壓下跌，引發背板上其它板卡工作狀態異常。

2 應用電路設計

TPS24742是一款針對2.5V至18V系統的集成“或”和熱插拔控制器，它精確且具有可編程保護設置，對設計故障隔離要求較高的高功率、高可用性系統很有幫助。利用TPS24742設計一款冗余電源的框圖如圖2所示，“或”（OR）和熱插拔（Hotswap）功能可以獨立設置，允許“或”和熱插拔控制器互換。用戶可利用熱插拔控制器對啟動電流及功率限制，以及正常工作期間的限流、短路保護等，實現安全的熱插拔；可利用“或”功能來編程反向電壓閾值和響應時間，以安全隔離故障，簡化冗余電源系統的設計。

圖2 利用TPS24742設計冗余電源的框圖

2.1 TPS24742主要特性簡介

TPS24742具有可編程電流限制、快速關斷和故障定時器功能，可在熱短路等故障期間保護負載和電源；可調整快速關斷閾值和響應時間，以確保快速響應故障，同時避免誤跳變；具有可編程的SOA（安全工作區域）保護和浪涌定時器，可在所有工作條件下對MOSFET加以保護；電源正常狀態標志置為有效后，會在過流事件期間運行故障定時器，但不會限制電流，當故障定時器到期后，控制器會關斷；具有兩個獨立定時器（浪涌/故障），用戶可根據系統需求定制保護功能。

●使能和過壓保護

熱插拔和“或”控制器可以分別通過ENHS和ENOR腳獨立設置使能控制，超過1.35V使能，低于1.3V禁用，回差50mV。OV腳為過壓檢測腳，超過1.35V表示過壓，此時熱插拔和“或”控制器將關閉。

●啟動期間的電流及功率限制

電流及功率限制可編程，以保護負載、電源及熱插拔FET管，功率限制通過PLIM腳設置，電流限制通過SET腳設置。在啟動期間，主動控制環路調節柵極，以確保通過FET管的電流和功率低于各自的預編程閾值。

●正常工作期間的兩級保護

TPS24742正常啟動后，將不再主動控制熱插拔FET管。當電流在電流限制和快速跳變閾值之間時，它將運行定時器，一旦定時器到期，柵極將被拉低，如果電流超過快速跳變閾值，柵極將立即被拉低。

●雙定時器（TFLT和TINR）

有兩個定時器引腳，允許用戶自定義保護。當器件處于啟動模式時，浪涌定時器（TINR）管腳源電流為10.25μA，并主動調節柵極以限制FET管功率或電流，否則它會降到2μA。當器件正常工作且FET電流超過電流限制時，限流定時器（TFLT）管腳源電流為10.25μA，否則它會降到2μA。如果任一定時器引腳超過1.35V，將停止工作并鎖定關閉。

●快速跳變響應

快速跳變閾值通過FSTP腳設置，當電流超過快速跳變閾值時，柵極會迅速向下拉，以將短路造成的損壞降至最低。TPS24742具有快速響應短路事件，立即閂鎖關閉，不再重試，對FET施加的應力最小。

●可編程反向電壓檢測

當電源出現輸出倒灌現象，RVSNP高于RVSNM時，內部比較器檢測到反向電流現象，這是一個用于關閉“或”FET管的信號，以便隔離故障。

●模擬電流監測

具有兩個模擬電流器監測輸出：IMON和IMONBUF，它們各有優缺點，IMON更精確，因為它沒有從第二級添加誤差，然而它是一個高阻抗輸出并且漏電流的極點上會導致檢測誤差，此外它只能支持30pF的電容，其滿幅值是675mV。IMONBUF接收IMON信號并將其緩沖3x，這會引入更多誤差，但輸出阻抗低，量程范圍大，可驅動高達100pF的電容。

2.2 設計參考電路

TPS24742通過外接N溝道功率場效應管HS FET和BS FET、測量電流的檢測電阻RSNS和少數外圍器件，即可實現電源與帶電背板間的安全熱插拔，其中HS FET為熱插拔控制開關，BS FET為“或”理想二極管，下面結合一應用實例進行分析。

【實例】設計一款12V/40A輸出的冗余電源，具有過壓保護，過流保護，浪涌保護，短路保護，電源好信號標志；輸入電壓（VIN）：11～13V；最大直流負載電流（ILOAD）：40A；熱插拔最大輸出電容（COUT）：10000μF；最高環境溫度（TA,MAX）：55℃；FET殼到環境的熱阻RθCA：30℃/W；瞬時負載要求（IFSTP）：60A/200ms。具體熱插拔和“或”控制器部分設計參考電路如圖3所示。

圖3 利用TPS24742實現冗余電源的設計參考電路

●HS FET和BS FET管選擇：熱插拔FET的選型至關重要，本設計中選擇CSD16415是因為它的低RDSON和優越的SOA，低RDSON以維持結和外殼溫度低于FET的最大額定值，優越的SOA以處理啟動、熱插及短路等沖擊事件。CSD16415參數：VDS漏源極電壓25V；VGS柵源極電壓+16/-12V；RDSON漏源導通電阻0.99mΩ（VGS=10V）；ID持續漏極電流100A（TC=25℃）；IDM脈沖漏極電流200A（TA=25℃）；PD耗散功率3.2W；TJ運行結溫-55℃～150℃；RθJC殼到結溫的熱阻1.1℃/W；RθJA環境到結溫的熱阻50℃/W。最大穩態殼溫TC,MAX計算過程：TC,MAX=TA,MAX+RθCA××RDSON(TJ)=55℃+30℃/W×(40A)2×(1.4×1mΩ)=122.2℃

MAX(150℃)。

●電流檢測電阻RSNS選擇：限流檢測電壓VSNS,CL設計門限選擇25mV，ILIM,CL設計選擇45A為限流值，RSNS計算過程：RSNS=VSNS,CL/ILIM,CL=25mV/45A=0.55mΩ，實際選取0.5mΩ，因此實際VSNS,CL=0.5mΩ×45A=22.5mV。

●熱插拔限流設置電阻RSET選擇：在限流期間，通過SET和IMON腳電流目標值設計250μA，RSET,CL計算過程：RSET,CL=VSNS,CL/250μA=22.5mV/250μA=90Ω，實際選取90.9Ω。

●負載限流設置電阻RIMON選擇：IMON模擬電流器其滿幅值是675mV，RIMON計算過程：RIMON=RSET×675mV/VSNS,CL=90.9Ω×675mV/22.5mV=2.727KΩ，實際選取2.74KΩ，因此實際ILIM,CL=VSNS,CL/RSNS=0.675V×RSET/（RIMON×RSNS）=0.675V×90.9Ω/（2.74KΩ×0.5mΩ）=44.8A。

●熱插拔快速跳變限流設置電阻RFSTP選擇：快速跳變限流值設計為65A，通過FSTP腳為100μA的恒流源，RFSTP計算過程：RFSTP=IFSTP×RSNS/100μA=65A×0.5mΩ/100μA=325Ω，實際選取324Ω。

●熱插拔快速跳變限流設置電容CFSTP選擇：濾波時間常數設計為500ns，CFSTP計算過程：CFSTP=tFSTP/RFSTP=500ns/324Ω=1.54nF，實際選取1.5nF。

●熱插拔限流定時器電容CFLT選擇：TFLT,CL熱插拔限流響應時間設計選擇250ms，CFLT計算過程：CFLT=7.59μF×TFLT,CL=7.59μF×250 ms=1898nF，實際選取2.2μF，因此實際TFLT=CFLT/7.59μF=290ms。

●熱插拔浪涌定時器電容CINR選擇：TINR,CL熱插拔浪涌響應時間設計選擇32.6ms，CINR計算過程：CINR=7.59μF×TINR,CL=7.59μF×32.6 ms=247nF，實際選取330nF，因此實際TINR=CINR/7.59μF=43.5ms。

●熱插拔功率限制電阻RPLIM選擇：功率限制PLIM,MIN=VIN,MAX/RSNS×MIN（VSNS,MIN，VIMON,MIN×RSET/RIMON）=13V/0.5mΩ×MIN（1.5mV，27mV×90.9Ω/2.74KΩ）=39W，RPLIM計算過程：RPLIM=84375×RSET/（RSNS×RIMON×PLIM）=84375×90.9Ω/（0.5mΩ×2.74KΩ×39W）=143.5KΩ，實際選取143KΩ。

結語：該面向高可靠系統的冗余電源已經成功研制并在多項航空航天裝備內使用，經過可靠性測試、實地測試均能穩定可靠運行，大大發揮了各項裝備的效能。該熱插板與“或”控制器TPS24742為核心構成一款冗余電源的設計方案，保護功能完善，設計和制造簡單，性能可靠，特別適用于高功率、不間斷供電應用場合。下一步將TPS24742應用于電池作后備電源供電、有主輔電源供電以及帶多個負載和電源供電的系統中，進一步增強冗余電源的覆蓋面。