論述了冗余熱備份電源的工作原理和設(shè)計(jì)方案,。
關(guān)鍵詞：正激變換器,；冗余熱備份；或門(mén)二極管
0 引言
在設(shè)計(jì)某高可靠性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí),，要求其配套電源采取冗余設(shè)計(jì),。一般來(lái)說(shuō)，可以采取的方案有容量冗余,、冗余冷備份方式,、并聯(lián)均流的N＋1備份方式、冗余熱備份方式,。
容量冗余是指電源的最大負(fù)載能力大于實(shí)際負(fù)載,，也就是“大馬拉小車(chē)”，其缺點(diǎn)是不利于提高電源的效率,，而且對(duì)提高電源的可靠性意義不大,。
冗余冷備份方式是指電源由兩個(gè)或多個(gè)功能相同的單元模塊組成，電源啟動(dòng)后由其中一個(gè)單元模塊向設(shè)備供電,，當(dāng)工作單元發(fā)生故障時(shí),，備份單元立刻啟動(dòng)向設(shè)備供電,。這種方式的缺點(diǎn)是備份單元的啟動(dòng)到輸出電壓的建立需要一定的時(shí)間，容易造成輸出電壓出現(xiàn)較大的豁口,，這樣會(huì)對(duì)被供電的設(shè)備產(chǎn)生影響,。
并聯(lián)均流的N＋1備份方式是指電源由多個(gè)功能相同的單元組成，所有單元的輸出功率之和大于系統(tǒng)要求的功率,，各單元的輸出通過(guò)或門(mén)二極管并聯(lián)在一起,，有時(shí)輸出采取均流控制電路，目前采用較多的就是這種方式,。N＋1備份方式由于是多個(gè)單元同時(shí)向設(shè)備供電,，單個(gè)單元故障（失效）一般不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，但是,，如果輸出線(xiàn)發(fā)生故障容易波及到所有單元,。
冗余熱備份方式是指電源由多個(gè)功能相同的單元組成，電源啟動(dòng)時(shí)所有單元同時(shí)工作,，由其中預(yù)先設(shè)定的單元向設(shè)備供電,，備份單元處于空載狀態(tài)，當(dāng)向設(shè)備供電的單元出現(xiàn)故障時(shí),，備份單元立刻向設(shè)備供電,，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是工作單元故障后,，備份單元輸出響應(yīng)速度快,，可以保證輸出電壓只在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。
本文詳細(xì)論述了采取冗余熱備份方式的電源設(shè)計(jì)方案,。
1 工作原理
冗余熱備份結(jié)構(gòu)的主電路由兩個(gè)功能相同且同時(shí)處于工作狀態(tài)的單元組成,，由切換電路控制其中一路向設(shè)備供電，另一路空載,。當(dāng)向設(shè)備供電的單元發(fā)生故障時(shí),，切換電路立即動(dòng)作，使另一個(gè)單元向設(shè)備供電,，同時(shí)切斷故障單元的輸出,。
主電路拓?fù)洳捎谜ぷ儞Q器，由輸入濾波電路,、功率變換電路,、控制電路、輸出濾波電路,、監(jiān)測(cè)切換電路組成,。電源框圖如圖1所示。DC 28V輸入經(jīng)過(guò)濾波后提供給功率變換電路,，控制電路通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)控制功率變換電路,，以實(shí)現(xiàn)輸出隔離穩(wěn)定的5V電壓，同時(shí)對(duì)輸出電壓進(jìn)行過(guò)壓,、過(guò)流保護(hù),。
圖1 電源框圖
冗余熱備份功能由輸出監(jiān)測(cè)和切換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。正常狀態(tài)下兩個(gè)單元之一向設(shè)備供電,，發(fā)生故障時(shí),，另一個(gè)處于熱備份的單元立刻向設(shè)備供電，同時(shí)切斷故障單元的輸出,。若兩個(gè)單元的輸出監(jiān)測(cè)電路同時(shí)發(fā)生故障,，則兩個(gè)單元同時(shí)向設(shè)備供電，由于每個(gè)單元的輸出端均連接了或門(mén)二極管,，這時(shí)為電源輸出并聯(lián)方式下的備份,。
2 監(jiān)測(cè)與切換功能的電路實(shí)現(xiàn)
作為一種冗余熱備份電源，主要問(wèn)題是工作單元的故障判斷,。如果采取對(duì)電源的各個(gè)可能故障點(diǎn)設(shè)置傳感器,，通過(guò)智能芯片或分立芯片組進(jìn)行故障判斷，再采取相應(yīng)的切換控制,，那么整個(gè)電源的復(fù)雜程度會(huì)增加,，而且故障檢測(cè)判斷部分的可靠性不一定高于電源本身。由于電源的主要故障均會(huì)反映在輸出電壓上,，因此,，以監(jiān)測(cè)工作單元的輸出電壓是否在設(shè)定范圍之內(nèi)作為故障判斷的標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè),、切換功能的電路如圖2所示,。
圖2 輸出監(jiān)測(cè)、切換電路原理圖
圖2中R18,、R19,、V10、D1組成單元1的5V輸出切換開(kāi)關(guān),，D1導(dǎo)通,，單元1的5V輸出被切斷；R018,、R019,、V010、D01組成單元2的5V輸出切換開(kāi)關(guān),，其功能與單元1相同,。R34、R35,、R33,、AJ4（TL431）,、R20＊、R22,、C20,、R21＊、AJ2（TL431）,、D2,、R24、R23,、C21,、V13、R30實(shí)現(xiàn)單元1的輸出電壓監(jiān)測(cè)和控制單元2輸出切換開(kāi)關(guān)的功能：當(dāng)單元1的輸出電壓高于或低于設(shè)定的電壓范圍時(shí)（調(diào)節(jié)R34,、R35,、R20＊、R21＊的電阻值可以改變?cè)O(shè)定的電壓范圍）,，光耦D2的腳1,、2不流過(guò)電流，使D2的腳4,、5截止,，V13基極電壓變低，D01的腳1,、2不流過(guò)電流,，使單元2的切換開(kāi)關(guān)打開(kāi)，單元2向設(shè)備輸出電壓,。同時(shí),，當(dāng)單元2的輸出電壓在設(shè)定的電壓范圍時(shí)（調(diào)節(jié)R034、R035,、R020＊,、R021＊的電阻值可以改變?cè)O(shè)定的電壓范圍），光耦D02的腳1,、2流過(guò)電流,，使D02的腳4、5導(dǎo)通,，V013基極電壓變高,，D01的腳1、2流過(guò)電流,，使單元1的切換開(kāi)關(guān)關(guān)斷,，單元1不向設(shè)備輸出電壓。同樣，單元2中對(duì)稱(chēng)位置的元器件實(shí)現(xiàn)與單元1中相同的輸出電壓監(jiān)測(cè)和控制單元1輸出切換開(kāi)關(guān)的功能,。通過(guò)設(shè)定C21和C021的電容值來(lái)設(shè)定電源啟動(dòng)時(shí)哪個(gè)單元先向設(shè)備供電,，電源啟動(dòng)過(guò)程中D2、D02的腳4,、5均會(huì)有極其短暫的導(dǎo)通,，C21,、C021的電容值小的單元先切斷另一個(gè)單元向設(shè)備供電的通路,。通過(guò)圖2可以看出本電源的2個(gè)單元中，若單元1先輸出正確的電壓,，則單元2的輸出被關(guān)斷,；單元1輸出電壓不正確，單元2的輸出切換開(kāi)關(guān)打開(kāi)向設(shè)備供電,，同時(shí)切斷單元1的輸出電壓,。反之亦然。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用示波器觀測(cè)兩個(gè)單元的輸出端,，可以觀測(cè)到單元1向設(shè)備輸出電壓,，單元2不向設(shè)備輸出電壓；斷開(kāi)單元1的輸入電壓,，可以觀測(cè)到輸出電壓無(wú)變化,，由單元2向設(shè)備供電。如果先給單元2提供輸入電壓,，再給單元1提供輸入電壓,，然后斷開(kāi)單元2的輸入電壓，情況相同,。
圖3給出了當(dāng)工作單元由于故障或電壓下降時(shí),，備份單元立刻向設(shè)備供電的波形，可以看出輸出電壓在10ms之內(nèi)恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值,，不會(huì)引起計(jì)算機(jī)重新啟動(dòng),。
圖3 切換波形
4 結(jié)語(yǔ)
本文給出了一種實(shí)現(xiàn)冗余熱備份電源的方法，其電路簡(jiǎn)潔,，有利于提高電源整體的可靠性,。但是，在大功率應(yīng)用中,，切換開(kāi)關(guān)要仔細(xì)選取,，以減小其對(duì)輸出電壓的影響，同時(shí)考慮采用輸出電壓多點(diǎn)反饋方式,，以補(bǔ)償切換開(kāi)關(guān)對(duì)輸出電壓的影響,。