一種冗余熱備份電源的設計

論述了冗余熱備份電源的工作原理和設計方案。

關鍵詞：正激變換器；冗余熱備份；或門二極管

0??? 引言

??? 在設計某高可靠性計算機系統時，要求其配套電源采取冗余設計。一般來說，可以采取的方案有容量冗余、冗余冷備份方式、并聯均流的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載能力大于實際負載，也就是“大馬拉小車”，其缺點是不利于提高電源的效率，而且對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或多個功能相同的單元模塊組成，電源啟動后由其中一個單元模塊向設備供電，當工作單元發生故障時，備份單元立刻啟動向設備供電。這種方式的缺點是備份單元的啟動到輸出電壓的建立需要一定的時間，容易造成輸出電壓出現較大的豁口，這樣會對被供電的設備產生影響。

??? 并聯均流的N＋1備份方式是指電源由多個功能相同的單元組成，所有單元的輸出功率之和大于系統要求的功率，各單元的輸出通過或門二極管并聯在一起，有時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單元同時向設備供電，單個單元故障（失效）一般不會對輸出電壓產生影響，但是，如果輸出線發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功能相同的單元組成，電源啟動時所有單元同時工作，由其中預先設定的單元向設備供電，備份單元處于空載狀態，當向設備供電的單元出現故障時，備份單元立刻向設備供電，維持了輸出電壓的穩定。這種方式的優點是工作單元故障后，備份單元輸出響應速度快，可以保證輸出電壓只在一個很小的范圍內波動。

??? 本文詳細論述了采取冗余熱備份方式的電源設計方案。

1??? 工作原理

??? 冗余熱備份結構的主電路由兩個功能相同且同時處于工作狀態的單元組成，由切換電路控制其中一路向設備供電，另一路空載。當向設備供電的單元發生故障時，切換電路立即動作，使另一個單元向設備供電，同時切斷故障單元的輸出。

??? 主電路拓撲采用正激變換器，由輸入濾波電路、功率變換電路、控制電路、輸出濾波電路、監測切換電路組成。電源框圖如圖1所示。DC 28V輸入經過濾波后提供給功率變換電路，控制電路通過實時檢測來控制功率變換電路，以實現輸出隔離穩定的5V電壓，同時對輸出電壓進行過壓、過流保護。

圖1??? 電源框圖

??? 冗余熱備份功能由輸出監測和切換開關來實現。正常狀態下兩個單元之一向設備供電，發生故障時，另一個處于熱備份的單元立刻向設備供電，同時切斷故障單元的輸出。若兩個單元的輸出監測電路同時發生故障，則兩個單元同時向設備供電，由于每個單元的輸出端均連接了或門二極管，這時為電源輸出并聯方式下的備份。

2??? 監測與切換功能的電路實現

??? 作為一種冗余熱備份電源，主要問題是工作單元的故障判斷。如果采取對電源的各個可能故障點設置傳感器，通過智能芯片或分立芯片組進行故障判斷，再采取相應的切換控制，那么整個電源的復雜程度會增加，而且故障檢測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反映在輸出電壓上，因此，以監測工作單元的輸出電壓是否在設定范圍之內作為故障判斷的標準。監測、切換功能的電路如圖2所示。

圖2??? 輸出監測、切換電路原理圖

??? 圖2中R18、R19、V10、D1組成單元1的5V輸出切換開關，D1導通，單元1的5V輸出被切斷；R018、R019、V010、D01組成單元2的5V輸出切換開關，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實現單元1的輸出電壓監測和控制單元2輸出切換開關的功能：當單元1的輸出電壓高于或低于設定的電壓范圍時（調節R34、R35、R20＊、R21＊的電阻值可以改變設定的電壓范圍），光耦D2的腳1、2不流過電流，使D2的腳4、5截止，V13基極電壓變低，D01的腳1、2不流過電流，使單元2的切換開關打開，單元2向設備輸出電壓。同時，當單元2的輸出電壓在設定的電壓范圍時（調節R034、R035、R020＊、R021＊的電阻值可以改變設定的電壓范圍），光耦D02的腳1、2流過電流，使D02的腳4、5導通，V013基極電壓變高，D01的腳1、2流過電流，使單元1的切換開關關斷，單元1不向設備輸出電壓。同樣，單元2中對稱位置的元器件實現與單元1中相同的輸出電壓監測和控制單元1輸出切換開關的功能。通過設定C21和C021的電容值來設定電源啟動時哪個單元先向設備供電，電源啟動過程中D2、D02的腳4、5均會有極其短暫的導通，C21、C021的電容值小的單元先切斷另一個單元向設備供電的通路。通過圖2可以看出本電源的2個單元中，若單元1先輸出正確的電壓，則單元2的輸出被關斷；單元1輸出電壓不正確，單元2的輸出切換開關打開向設備供電，同時切斷單元1的輸出電壓。反之亦然。

3??? 實驗結果

??? 用示波器觀測兩個單元的輸出端，可以觀測到單元1向設備輸出電壓，單元2不向設備輸出電壓；斷開單元1的輸入電壓，可以觀測到輸出電壓無變化，由單元2向設備供電。如果先給單元2提供輸入電壓，再給單元1提供輸入電壓，然后斷開單元2的輸入電壓，情況相同。

??? 圖3給出了當工作單元由于故障或電壓下降時，備份單元立刻向設備供電的波形，可以看出輸出電壓在10ms之內恢復到標準值，不會引起計算機重新啟動。

圖3??? 切換波形

4??? 結語

??? 本文給出了一種實現冗余熱備份電源的方法，其電路簡潔，有利于提高電源整體的可靠性。但是，在大功率應用中，切換開關要仔細選取，以減小其對輸出電壓的影響，同時考慮采用輸出電壓多點反饋方式，以補償切換開關對輸出電壓的影響。