原创 冗余电源怎样工作？

       服务器、路由器和交换机等对可靠性要求较高的设备中广泛使用两个或两个以上的电源同时供电，这种多电源供电技术的学术名称为“冗余电源（Redundant Power supply）”。在冗余电源系统中，多个电源模块平均承担系统负荷，一旦其中某个模块出现问题而停止供电时，剩余的电源模块便平均承担多出来的电源负载。

● 冗余电源的系统结构

         冗余电源系统采用输入总线、负载总线和共享总线的“三总线”的电路结构，如图1。电源1、电源2 … 电源n为热插拔电源模块，它们以并联方式相连接，C1、C2 … Cn为各电源模块的控制模块，S1、S2 … Sn为受控电流调节器／隔离器。SENSE₁、SENSE₂ … SENSE_n为电源检测信号，FB为负载电压反馈信号。

图1   冗余电源的结构（点击图片放大）

       系统正常工作时，控制模块通过调整电流调节器／隔离器的导通程度，使系统均衡地使用每个电源模块——每个电源模块向系统提供相同的电流，这种工作模式称为“电流共享”。当其中某一电源模块出现故障时，切断电流调节器／隔离器，使故障电源从电源系统中隔离出来，并进行故障报警。

       下面以美国凌特公司（Linear Technology Co.）的热插拔控制器LTC4350为例，说明冗余电源中浪涌电流限制与电流共享这两个关键环节的实现方法和控制过程。

● 热插拔过程中浪涌电流的限制

        热插拔（hot-swapping）是指将模块、板卡或电源等设备带电“接入”或“移出”正在工作的机器。冗余电源系统中的每个供电模块均可以热插拔，一旦某个供电模块损坏，就能在不停电情况下完成维修工作，而丝毫不影响系统的正常工作。       

        为了满足热插拔的要求，冗余电源系统的控制模块应能够限制电源模块的电流突变，防止电源模块插入和拔出时对负载总线形成浪涌电流。      

图2   应用电路（点击图片放大）

        图2是一个输出电压为5V的冗余电源的控制电路，其中场效应管FET1和FET2构成电流调节器／隔离器。控制器通过输出SENSE+信号加载到电源上来实现对电源输出电压的调节。电阻R_OUT和R_SET用来设置电压调整范围。R_SET上的电压以R_OUT/R_SET的比率转换成R_OUT上的电压。因此，输出电压的调整将跟踪R_SET引脚上的电压。

        冗余电源系统的热插拔过程受欠压引脚（UV）输出的电压信号的控制：

      （1）电源模块插入时，UV引脚的电压低于锁定电压1.220V时，GATE端输出为0V，场效应管FET1和FET2关断。随着V_CC引脚的电压因电容充电而缓慢上升，UV引脚的电压也随之升高，当该电压高于1.224V时，FET的门极通过10μA的电流源充电，GATE引脚电压上升的斜率为10μA/C_G，使得FET中的电流缓慢上升。这样，新插入的电源无缝连接到负载中，避免了浪涌电流进入电源系统。

      （2）电源模块关闭或拔出时， LTC4350对FET的门极快速放电，UV引脚的电压将跌落至1.220V以下时，FET关断，使电源与负载隔离开来。

       在热插拔控制电路中，GATE引脚外接电容C_G（0.1μF）的作用是至关重要的，它使FET的门极电位和输出电压均不会突变，避免了电源插入和退出时产生浪涌电流进入负载。GAIN引脚外接电阻R_GAIN用于调节从精密电阻R_SENSE的上所取得的电流检测信号的反馈深度，连接在TIMER引脚的电容C_T用来设置电源插入后向共享负载供电的延时时间。

● 冗余电源系统电流共享的实现

       由n个电源模块组成的冗余电源阵列中，如果每个电源模块分担全部负载电流的1/n，则可认为电源模块之间实现了电流共享。

图3 电流共享原理（点击图片放大）

        在图3中，取样电阻R_SENSE用于测量电源的工作电流I_SENSE，模块将检测到的电流进行放大后反馈至控制器LTC4350的GAIN引脚，并在GAIN引脚外接电阻R_GAIN上形成取样电压。E/A2模块将取样电压与共享总线的电流进行比较，E/A2的输出通过I_OUT模块调节电源的输出电压。使用E/A2模块的目的是，强制GAIN引脚的电压与SB引脚的电压相等。当系统中所有LTC4350的GAIN引脚的电压与SB引脚的电压相等时，负载电流就被共享了。

节选自：陈忠民，热插拔冗余电源的设计，微型机与应用，2002-04