歡迎再次來到我們的技術(shù)專欄——模擬芯視界。在上一期中，我們討論了用于 PFC 的新型充電模式控制算法在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，以及它如何助力實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的電源管理。

本次為大家?guī)淼氖恰妒褂美硐?a target="_blank">二極管控制器的汽車應(yīng)用冗余電源拓?fù)洹?。該文章將介紹使用理想二極管控制器進(jìn)行 ORing 和電源多路復(fù)用的概念和優(yōu)勢(shì)、不同類型和架構(gòu)，以及在汽車系統(tǒng)中使用理想二極管控制器實(shí)現(xiàn) ORing 和電源多路復(fù)用的挑戰(zhàn)和解決方案。

引言

冗余電源使用多個(gè)電源單元為負(fù)載提供所需的電源。它們有助于提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，并在其中一個(gè)電源單元發(fā)生故障時(shí)確保系統(tǒng)安全。在汽車系統(tǒng)中，冗余電源對(duì)于自動(dòng)駕駛等安全關(guān)鍵型應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樵谶@類應(yīng)用中，斷電可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

ORing 和優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用是在汽車系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)冗余電源的兩種常用技術(shù)。在 ORing 中，系統(tǒng)從多個(gè)輸入中選擇最高電壓的電源，而電源多路復(fù)用技術(shù)允許系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)或其他標(biāo)準(zhǔn)在不同的電源之間切換。設(shè)計(jì)人員以前會(huì)將肖特基二極管和/或 P 溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管用于電源中的冗余電路。

理想的二極管控制器是可以控制外部金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來模擬理想二極管行為的集成電路 (IC)。與傳統(tǒng)二極管相比，它們具有多種優(yōu)勢(shì)，例如更低的功率耗散、更高的電流能力、反極性保護(hù)、反向電流阻斷和負(fù)載突降保護(hù)。理想的二極管控制器還可提供浪涌電流限制以及過壓和過流保護(hù)。

在本文中，我們將討論使用理想二極管控制器進(jìn)行 ORing 和電源多路復(fù)用的概念和優(yōu)勢(shì)、ORing 和電源多路復(fù)用電路的不同類型和架構(gòu)，以及在汽車系統(tǒng)中使用理想二極管控制器實(shí)現(xiàn) ORing 和電源多路復(fù)用的挑戰(zhàn)和解決方案。

ORing 和電源多路復(fù)用技術(shù)

ORing 和電源多路復(fù)用技術(shù)都使用理想二極管將多個(gè)輸入電源連接到單個(gè)輸出負(fù)載，但它們?cè)诓煌斎朐粗g的選擇和切換方式有所不同。圖 1 顯示了電源 ORing 和優(yōu)先級(jí)多路復(fù)用的典型用例。

圖 1：ORing 和優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器解決方案的典型用例

ORing 電路有助于系統(tǒng)根據(jù)最高輸入電壓從多個(gè)輸入中選擇最佳可用電源。理想二極管充當(dāng)開關(guān)，在輸入電壓高于輸出電壓時(shí)導(dǎo)通，并在輸入電壓低于輸出電壓時(shí)關(guān)斷。這樣，ORing 電路可確保具有最高電壓的輸入源連接到輸出端，并防止出現(xiàn)反向電流和輸入源之間的跨導(dǎo)。如果兩個(gè)輸入電源幾乎相等，則可以由兩個(gè)電源同時(shí)為負(fù)載供電，而兩個(gè)電源之間沒有任何循環(huán)電流。因此，反向電流阻斷是實(shí)現(xiàn) ORing 電路所需的主要特性。

電源多路復(fù)用電路允許系統(tǒng)根據(jù)電源優(yōu)先級(jí)或輸入電壓可用性和幅度等標(biāo)準(zhǔn)在不同的電源之間進(jìn)行切換，而不管電壓幅度如何。在該配置中，控制電路需要開關(guān)每個(gè)電源和負(fù)載之間的電源路徑，具體由其自身的優(yōu)先級(jí)邏輯或外部信號(hào)（例如微控制器通用輸入/輸出引腳）控制。電源多路復(fù)用電路確保在任一時(shí)刻只有一個(gè)輸入源連接到輸出，并防止出現(xiàn)反向電流和輸入源之間的跨導(dǎo)。因此，在該配置中，電路需要具有反向電流阻斷和負(fù)載路徑開關(guān)控制功能，以使優(yōu)先級(jí)電源能夠?yàn)樨?fù)載供電。

電源 ORing 的典型應(yīng)用電路

ORing 電路廣泛用于信息娛樂、車身控制模塊、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和照明模塊等汽車子系統(tǒng)；它們可在電源出現(xiàn)故障或斷開時(shí)提供冗余和可靠性。圖 2 顯示了采用理想二極管控制器 IC 與外部 N 溝道 MOSFET 的不同 ORing 拓?fù)洹?/p>

有效的 ORing 解決方案需要以極快的速度工作，以便在其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)限制反向電流的持續(xù)時(shí)間和大小。ORing 配置中的理想二極管控制器會(huì)不斷檢測(cè)陽極和陰極引腳（分別是電源（VIN1、VIN2）和公共負(fù)載 (VOUT) 點(diǎn)的電壓電平）之間的電壓差。只要 VIN – VOUT 降至指定的反向閾值（通常為幾毫伏）以下，快速比較器就會(huì)在數(shù)毫秒內(nèi)通過快速下拉電阻將柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。德州儀器理想二極管控制器具有快速反向電流檢測(cè)比較器和線性柵極穩(wěn)壓方案，可確保在發(fā)生輸入電源丟失時(shí)實(shí)現(xiàn)零直流反向電流。

圖 2：使用理想二極管控制器的典型 ORing 拓?fù)?/p>

少數(shù)子系統(tǒng)需要將負(fù)載與電源斷開，以實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流或保護(hù)系統(tǒng)免受故障條件的影響。圖 2 中的拓?fù)?2 顯示了采用 德州儀器LM7480-Q1 和 LM7470-Q1 器件且具有通用負(fù)載斷開控制功能的典型雙電源輸入 ORing 應(yīng)用電路。FET Q1 和 Q2 分別由 LM7470-Q1 和 LM7480-Q1 驅(qū)動(dòng)，用于提供 ORing 功能，而由 LM7480-Q1 驅(qū)動(dòng)的 Q3 FET 可以將負(fù)載與電源隔離。當(dāng) VIN1 大于 VIN2 時(shí)，LM7480-Q1 對(duì) FET 的獨(dú)立控制允許 Q2 阻斷反向電流，而 Q3 保持導(dǎo)通，將 VIN1 連接至 VOUT。圖 2 中的拓?fù)?3 顯示了 ORing 的典型應(yīng)用電路，該電路具有針對(duì)各個(gè)電壓軌的負(fù)載斷開功能，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)槊總€(gè)電壓軌指定不同的負(fù)載斷開標(biāo)準(zhǔn)。

圖 3 和圖 4 顯示了 VIN1 = 12V 且 VIN2 = 15V 時(shí)兩個(gè)電源軌之間的電源 ORing 切換性能。

圖 3：電源從 VIN1 切換至 VIN2

圖 4：電源從 VIN2 切換至 VIN1

優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器配置

當(dāng)主電源電壓降至指定的閾值以下時(shí)，優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器會(huì)自動(dòng)將主電源轉(zhuǎn)換為輔助 (AUX) 或次級(jí)電源。如果可用且處于可接受限值內(nèi)，主電源始終是為負(fù)載供電的首選電源。例如，如果配電單元中的上游智能保險(xiǎn)絲在子系統(tǒng)的主電源上跳閘，則優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器電路會(huì)自動(dòng)將 AUX 電源連接到輸出端，并從輸出端斷開主電源，以避免子系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)任何中斷。如果上游智能保險(xiǎn)絲復(fù)位且主電源電壓上升到可接受的閾值以上，則優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器電路會(huì)自動(dòng)將主電源連接回輸出端并斷開 AUX 電源。

電源多路復(fù)用器電路需要使用 LM74800-Q1 或 LM74900-Q1 等控制器來控制每個(gè)電源軌上的兩個(gè)背對(duì)背 MOSFET。當(dāng)主電源和 AUX 電源都存在且處于可接受的范圍內(nèi)，并且主電源正在為負(fù)載供電時(shí)，AUX 路徑控制器必須在主電源電壓高于 AUX 電源電壓時(shí)阻斷反向電流。同樣，當(dāng)主電源電壓低于 AUX 電源時(shí)，AUX 路徑控制器必須阻斷正向電流。這確保具有最高優(yōu)先級(jí)的主電源為負(fù)載供電，而 AUX 電源與主電源和負(fù)載隔離。

LM74900-Q1 理想二極管控制器驅(qū)動(dòng)和控制外部背對(duì)背 N 溝道 MOSFET，從而模擬具有電源路徑開關(guān)控制及過流和過壓保護(hù)功能的理想二極管整流器。圖 5 是在共漏極拓?fù)渲惺褂脙蓚€(gè) LM74900-Q1 器件的優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器原理圖。VAUX 路徑中 LM74900-Q1 的過壓引腳配置為當(dāng)VPRIM 因?yàn)槿魏卧驍嚅_時(shí)，VAUX 電源立即連接到負(fù)載，并確保為負(fù)載持續(xù)供電。

圖 5：使用 LM74900-Q1 的典型優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器應(yīng)用電路

電源多路復(fù)用器電路的目的是在 VPRIM 被切斷或超出可接受的范圍時(shí)，負(fù)載切換到由 VAUX 供電，同時(shí)使輸出電壓保持在較低水平。為了在轉(zhuǎn)換期間將輸出電壓保持較低水平，負(fù)載開關(guān) FET (Q4)（由 VAUX 路徑中的 LM74900-Q1 驅(qū)動(dòng)）必須在 VPRIM 的電源路徑關(guān)閉（通過關(guān)斷 Q2）期間非?？焖俚貙?dǎo)通。但是，HGATE 引腳設(shè)計(jì)為僅提供 55μA 柵極電流，以實(shí)現(xiàn)慢啟動(dòng)來提供浪涌電流限制，該電流太低而無法快速將 HGATE 變?yōu)楦唠娖?。由一?a target="_blank">電阻器(RCP)、一個(gè)晶體管 (Q5)和一個(gè)二極管 (D2) 組成的小電路可以增加 HGATE 拉電流。另外還可以通過將 Q5 的發(fā)射極連接到 Q4 的柵極來增加?xùn)艠O拉電流，因?yàn)?Q5 允許電荷泵電容器將 HGATE 直接拉高?；蛘?您可以通過改變RCP 的電阻值來調(diào)節(jié) Q4 柵極拉電流。D2 在 Q5 周圍提供了一條路徑來關(guān)斷 Q4。

圖 6 顯示了在 VPRIM 斷開且負(fù)載快速轉(zhuǎn)換至 VAUX 電壓軌的情況下捕獲的波形。AUX 電壓軌的 HGATE 在 20μs 內(nèi)導(dǎo)通以減少輸出電壓下降。

圖 6：電源多路復(fù)用器應(yīng)用中的 VPRIM 到 VAUX 切換

圖 7 顯示了當(dāng) VPRIM 恢復(fù)到可接受的水平時(shí)的瞬時(shí)波形，這時(shí)優(yōu)先級(jí)電源多路復(fù)用器電路平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換負(fù)載，最低電壓降到VPRIM，因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)高于 VAUX。

圖 7：電源多路復(fù)用器應(yīng)用中的 VAUX 至 VPRIM 切換

表 1 顯示了各種理想二極管控制器以及它們基于各個(gè)功能集可支持的冗余電源拓?fù)洹?/p>

表 1：適用于冗余電源拓?fù)涞睦硐攵O管控制器列表

結(jié)語

具有高級(jí)功能的理想二極管控制器支持 ORing 和電源多路復(fù)用電路的不同架構(gòu)。理想二極管控制器具有反極性保護(hù)、反向電流阻斷、負(fù)載突降保護(hù)、有源整流、過壓保護(hù)和浪涌電流限制等特性和優(yōu)勢(shì)，從而可實(shí)現(xiàn)全面的輸入電源路徑保護(hù)并有助于確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。