主動“ORing”方案降低了功率損耗和設備尺寸
發布時間：2009-6-24 08:39
發布者：賈延安
|
主動“ORing”方案包括一個功率MOSFET和一個集成電路控制器。MOSFET的導通電阻RDS(on)會在其內部產生功率損耗（通過器件的電流的平方與電阻的乘積）。 如果在肖特基二極管“ORing”方案中實現相等電流，該方案中的損耗將降低為原來的十分之一。這就說明，一個主動“ORing”方案可以比標準“ORing”二極管方案更小，由于它非常低的功率消耗，就充分降低了對散熱系統的依賴。 然而，主動“ORing”方案確實是一個折中的方案。當MOSFET打開的時候，電流的方向不受限制。正是由于這個特點，主動“ORing”方案可以非常準確和非�？焖俚貦z測出由于反向電流而產生的故障。一旦檢測到故障，控制器就需要盡可能快地關閉MOSFET，并依次從冗余總線上隔離輸入故障，阻止反向電流的進一步增加。 合適的方案 當著手選擇合適的“ORing”方案時，關鍵的問題是理解特殊應用的基本邊界條件，然后選擇哪種類型的“ORing”方案就非常清楚了。但這并非毫無遺漏，還存在一些典型的邊界條件，這些邊界條件如下所示： ● 系統所處的環境溫度上升到最高溫度，功率方案必須保持可靠工作。 ● 系統位于特定不可動建筑物中時。 ● 可獲得的散熱手段（風扇、散熱片、PCB 面積等）。 ● 最壞故障條件（“ORing”方案的響應時間和速度非常關鍵）。 在特殊應用環境中分析典型二極管“ORing”方案與典型主動“ORing”方案的異同是非常有價值的。下面的分析示例是在環境溫度為70℃，負載電流為20A情況下的分析過程。 典型二極管功率消耗（PD(diode)）：VF×IF=～0.45V×20A=9W。 主動“ORing”方案的功率消耗（PDFET）：ID2×RDS(on)=(20A)2×1.5mΩ=0.6W。 此處1.5mΩ是Picor公司PI2121 Cool-ORing器件的典型RDS(on)。 如果器件工作的最大結點溫度保持在125℃，則需要的散熱條件為 TJ=Tamb+（PD×Rthj-a） 式中： TJ=器件結點溫度。 Tamb=系統環境溫度。 PD=器件功率消耗。 Rthj-a=熱阻（結點-環境）。 Rthj-a需要維持二極管的125℃結點溫度大約是6℃/W。 Rthj-a需要維持MOSFET的125℃結點溫度大約是92℃/W。 Rthj-a數值越高，散熱的費用與總體擁有成本之間的依賴關系就越低，這就使“ORing”方案非常吸引人。主動“ORing”方案的好處表明，這是提供最小解決方案的最好辦法，如果不可動建筑的價值非常高。高密度單封裝系統（SiP：System-in-a-Package）產品是解決高密度問題的最好途徑，它所提供的IC-FET優化可以增加電子性能的改進。使用工業標準封裝的分立解決方案具有先天的局限性，如器件尺寸、器件之間的PCB空間，以及隱藏在整體密度和電子性能后面的寄生偏移。 必須精確確定MOSFET兩端的電壓和極性，這代表流過整個器件的電流。在故障事件被觸發之前，反向門限將決定通過MOSFET的反向電流總和，而且控制器的柵極驅動特征將決定MOSFET的關斷時間，并因此產生了通過MOSFET的反向峰值電流。門限越低、柵極驅動越高，則將確保更早地檢測并降低總體反向峰值電流，并且最終降低任何冗余總線電壓降落的可能。 主動“ORing”方案 Picor公司有一個主動“ORing”方案（Cool-ORing系列），包括一個高速“ORing”MOSFET控制器和一個具有低導通電阻的MOSFET，采用高密度強化散熱的LGA(Land-Grid-Array）封裝。這個方案可以達到低至1.5mΩ的典型導通電阻，可以在整個比較寬的溫度范圍內工作，并能夠提供高達24A的持續負載電流。 LGA封裝是非常小的5mm×7mm封裝形式，它提供了強化散熱，并能夠用于低壓、高邊（如圖1所示）主動“ORing”應用中。Cool-ORing方案與常規主動“ORing”方案相比提供了超過50％的空間節省。 圖1 PI2121典型應用：高邊主動“ORing”技術 PI2121是一個8V、2A的器件，可以用于總線電壓小于等于5V的應用；PI2123是一個15V、15A的器件，可以用于總線電壓小于等于9.6V的應用；而PI2125是一個30V、12A的器件，可以用于總線電壓不大于12V的應用。PI2121、PI2123和PI2125的典型導通電阻分別是1.5mΩ、3mΩ和5.5mΩ。 Cool-ORing方案可以由標準的10腳TDFN封裝和8腳SOIC封裝形式的單獨控制器提供，這些封裝的器件可以驅動外部標準的N溝道MOSFET，并且其功能與全部功能的集成方案完全相同（如圖2所示）。 圖2 當輸入電源發生短路故障時PI2001的典型動態響應 Picor的PI2003是針對48V冗余電源架構優化的控制器，特別適合需要瞬態電壓在100ms時間內上升達100V輸入電壓的系統。PI2003的低靜態電流使其可以直接輸入48V電壓，也簡化了低損耗偏置。 主動ORing技術中的負載分離特征 常規ORing技術和主動ORing技術解決方案不能在負載故障時保護輸出，這是因為總有一個二極管正向偏置電流要流到輸出端。在標準二極管ORing技術中，這是顯而易見的，但使用常規主動ORing技術，即使當MOSFET關閉的時候，也有一個寄生體二極管存在，并有正向電流流過它，而且是不可能斷開它的。 Cool-ORing技術也包括一個負載分離的特征。PI2122全功能解決方案集成了一個具有背對背配置的MOSFET（它們可以提供極低的導通電阻）的高速控制器，封裝為高密度強化散熱的5mm×7mm LGA封裝，并為不大于5V總線的應用進行了優化。 PI2122是7V、12A的器件，具有實際上典型值為6mΩ的導通電阻，可以使它具有非常高的效率。通過采用背對背MOSFET，內部寄生體二極管彼此是反向的，因此當MOSFET關閉的時候，阻止了正向和反向電流。 該產品作為主動ORing技術的解決方案，也能夠檢測輸出負載故障時的過電流。這個功能在獨立控制器PI2002中也存在，它可以驅動外部標準背對背配置的N溝道MOSFET。 冗余供電架構依賴于采用寬總線電壓的有效ORing技術方案。Picor公司的Cool-ORing系列主動ORing方案的價值是下一代高可用系統的關鍵。 全功能解決方案將高速控制器和高性能MOSFET技術融合在一起，在高密度強化散熱的LGA封裝中實現了極低的損耗。這些解決方案與傳統的主動ORing技術相比節省了50％的空間。 |
網友評論