电源系统 ORing 的基本原理为您的便携设备、刀片服务器以及电信交换机寻找适用的 ORing 功能以及技术作者：Martin Patoka，德州仪器 (TI) 工程总监许多现代设备和系统都要求带有冗余设计、电源容量总计或者多电源选择功能的电源架构。

在本文中，这些功能一般来说是指 ORing。

使用 ORing 的系统非常普遍，规格和复杂性多种多样。

这包括诸如便携式设备、刀片服务器、电信交换机之类的系统。

一旦应用中要求有超过一个以上的单电源时，电源组合、选择、热插拔及总线保护之类的问题就出现了。

由于故障、短路、热插拔或者拆卸器件，没有带保护功能的并联电源就会导致运行中断的现象。

虽然这些功能与典型的浪涌和故障保护热插拔功能相类似，但它们在位置和操作中却明显不同。

这样的 ORing 功能最初是由半导体二级管来完成的，而且在一些应用中仍然是最好的解决方案。

随着MOSFET 的进一步的发展，它们已成为较高性能解决方案的基础。

在许多情况下，都必须把多个电源组合起来为负载供电。

在高功率系统中（例如：刀片服务器或基于机架的电信系统），为了提高灵活性、冗余或者一个N＋1 结构中的电容量，可能会具有多个电源组合。

一般而言，在系统处于工作状态时（可热插拔）这些电源均为可替换的，而且是采用电路卡的形式。

另一个例子是一个可能由交流电适配器、USB或者电池电源供电的设备。

ORing 架构电源组合的拓扑如图 1 所示。

二级管符号可能以半导体二极管的形式来实现，或由一个较高性能的功能模块来实现。

从物理层面来说，ORing 可以被置于数个地方。

如果聚合在 B 线的左边，那么 ORing 可以被放置在电源中。

如果置于 A 线和 B 线之间，那么 ORing 同样可以被放置在背板或者中间板上。

最后，如果置于 A 线的右边，那么 ORing 则可以被放置在负载中。

图1、多个电源输入通过阻滞短路输出电源转换单元，以及在系统运行期间连接单元时隔离其放电输出电容器，ORing 可以保护负载总线。

有源或者无源负载共享通常被用于带有N ＋1 冗余设计的系统中，以此来保持所有电源转换模块在线。

由于固有电阻的原因，ORing 实施有助于支持无源共享。

带有不同电源的应用可能不会要求在这些电源中共享，而只是简单地运行于最高电源电压上。

当连接其它输入电源时，ORing 在保护总线免于短路和瞬态变化损害的同时选择最高电压源。

图 2 显示了一个带有 ORing 的冗余电源拓扑，该 ORing 聚合于一个子系统或者插件模块中。

这个拓扑与图 1 稍有不同，图 1 中的冗余总线能够被多负载共享。

提高由独立电源和总线结构产生的正常运行时间，ORing 在允许每一个负载受益于该时间的同时对总线进行保护。

正常运行期间，允许负载运行于任意一条总线或者两条总线上的同时，ORing 器件必须保护每一条总线不受冗余总线短路的损害。

由于负载位于 ORing 功能的低阻抗端，各单元具有一些热插拔形式和电流限制是很重要的。

通常，这种拓扑出现在高端系统中，例如：电信或者服务器应用，其 ORing 电压可以为 -48 伏、12 伏中轨或者诸如 5 伏的低电压，但同样可能是一个带多电源输入的应用。

图2、冗余电源馈入ORing MOSFET图 3 为一个 ORing MOSFET 和一个等效分立二极管工作范围的图解比较。

当I FL*R DSON（I FL为满负载电流）小于二极管正向电压时，MOSFET 具有优势。

在一个 0.5V 的肖特基二极管中，一个 20A 负载可能会消耗 10W 的功耗，但是在一个 2.5mΩ- R DSON 的 MOSFET 中仅仅消耗 1W 的功耗。

本例中，MOSFET 的压降仅为 50 mV。

图3、MOSFET 工作范围如图 4 所示，MOSFET 要求一些控制来对二极管的功能进行模拟。

当需要达到最佳性能和最低成本时要采用 N 通道 MOSFET，而在小型电池供电的设备中需要最低静态电流时则要采用 P 通道器件。

在理想电流方向中，使用固有主体二极管对 MOSFET 进行配置。

至于电源，控制必须对 MOSFET 栅极进行高电平驱动，当 VAC 为正时增强 MOSFET 通道。

这样就在电源与内部二极管并联的负载之间创建出一条低电阻路径。

相反地，当 VAC 为负时，栅极必须被驱动至源极或低于源极电压以阻止流经通道的反向电流。

图4、ORing 实施一旦存在有源控制，就可以实现一些分立半导体器件无法实现的功能，这些特征包括：z选择性开/关阈值z开/关速度控制z迫使栅极关闭，以进行测试和阻塞应用z开关状态报告z短路栅极报告在高可用性系统中，强制、报告和监测功能变得非常重要，一个 ORing 器件的故障可能会危及系统的可靠性。

常用的 MOSFET 控制常用的 MOSFET 控制的方法有两种。

一种是利用简单的比较器监测V AC；第二种是利用已调整的 V AC 的方法。

利用比较器的方法是最简单的，如图 5 的左侧所示。

尽管如此，它却有一个致命的缺点。

在其大多数基本实施中，如果电压大于 0V，那么 MOSFET 将被开启，而电压小于 0V 时则被关闭。

如果负载电流能够接近 0A，那么V AC 则降低至 0V，而该电压刚好是比较器的阈值电压。

这样会导致非理想的循环运行，在系统噪声的影响下，这种情况会更糟糕。

为了解决这个问题，比较器被赋予了一定的迟滞和负阈值 (V RT)。

这一缺点就是允许高达V RT/ R DSON 的连续反向电流。

要控制反向电流的话，设置一个精确阈值的能力是至关重要的。

图5、利用具有迟滞特性的比较器进行控制由 TPS2411 实施的比较器控制法如图 5 右侧所示。

该器件使用具有一定逻辑的两个比较器来实现复合比较器的功能。

这是因为这两个比较器具有不同的速度及驱动要求。

虽然在某些正的 Vac 阈值时，开启的速度可能比较缓慢，但是关闭的速度较快，因此，需要一个特殊的比较器。

关闭比较器具有一个可编程的阈值，并且具有差动输入滤波功能。

一个最小化的关闭脉冲可防止由栅极驱动和总线瞬态引起的局部关闭和振荡。

图 6 左侧显示了一个简化的调节V AC 的方法。

该方法是利用一个线性MOSFET 栅极控制，迫使V AC 变化至V P。

所选择的已调整的电压小于I FL* R DSON（I FL为满负载 MOSFET 电流），这样就可避免满负载压降及功率损耗的增加。

V P 应很好地处于如图 3 所示的首选操作的绿匣子里。

当V AC达到并试图超过V P 时，放大器输出趋向更高。

当I A* R DSON≤ V P 时，放大器将会主动对栅极进行控制。

如果V AC增大超过V P，放大器输出就会达到偏置电源电压V G。

相反地，如果V AC 小于V P，放大器就驱动栅极为低，在电流反向之前关闭MOSFET。

对于负载由轻到重逐渐增加的应用而言，该项技术有一定的缺点。

输出电压会一直下降，直到放大器响应并重新调节V AC。

这一现象的发生是由于栅极控制有效地将 MOSFET 变为一个电流源，防止负载自电源吸取的电流进一步增大。

图6、V AC 调节控制由 TPS2410 实施的V AC 调节控制方法如图 6 右侧所示。

该控制器具有一个用于V AC 调节的内部补偿线性放大器，以及一个对突变电压反向做出响应的快速比较器。

之所以需要这样的组合，是因为需要一个相对较慢的放大器进行V AC 稳定调节。

放大器不能与其他 ORing 控制器发生过多的交互作用，同时在不进行切换的情况下，对总线上的随机噪声进行处理。

快速比较器可实现对总线故障的快速反应。

其调整过的关闭阈值为负，保持了其控制技术上的优势。

为了避免小型总线瞬态上的跳变现象，可以将其阈值调为负。

但是，放大器还是限制了静态反向电流。

如图 6 所示，可以对快速比较器输入进行滤波处理，以降低其对正常的总线噪声及短时脉冲波形干扰的敏感度。

最小化关闭脉冲防止了由栅极驱动和总线关闭瞬态引起的局部关闭和振荡。

ORing 的设计考虑在高性能的应用中，需要精确且小的阀值；在高电流和低电压应用中，需要调整电压。

由于宽泛的容差，高正向阈值电压会导致如图 1 和图 2 所示的其中一个冗余电源在故障出现之前都不会被激活。

当系统处于满负载，且瞬时需要无源电源 (inactive) 提供电流，就会出现我所不希望看到的压降。

一个宽泛的V P容差可能会导致V P > I FL* R DSON，从而造成更低效率的过大正向压降。

与此相似，一个容差较宽的关闭阈值将会增加比较器控制所容许的静态反向电流量。

动态控制与静态控制一样重要。

图 2 中的电路是在开启两个 ORing 器件情况下运行的，同时总线 A 立即短路接地。

在 ORing 电路被关闭之前，一个反向电流将从总线 B 流至总线A。

该反向电流引起了在总线 B 上的电压骤降(voltage sag)。

当故障电流突然被切断，且总线 A 里过多的感应能量放电至负载中时，电压骤降之后会形成一个电压过冲。

关闭比较器应该可以对相对较小的总线电压反向做出响应，从而减小这些故障的影响。

这尤其适用于 ORing 位于电源分配系统的中部或末端的结构，因为在总线附近都有较大的电感现象。

与需要快速响应相比，在实施过程中还必须忽略在电源分配器系统中出现的常规脉冲、开关瞬态变化及纹波。

附近的 ORing 控制器的操作引入的瞬态变化有可能造成故障跳变。

大多数系统都需要在共用的总线上设置相当数量的低阻抗旁路电容以控制瞬态变化。

这些瞬态变化现象是由故障、元件插入、负载瞬态及实际故障所引起。

为了实现成功的系统设计，瞬态控制和 ORing 性能必须匹配。

置于一个冗余电源中的 ORing 在速度上具有更大的范围。

这是因为内部短路时，输出电容器易于降低电压压降速率。

这取决于输出滤波器的特性以及系统的其它部件。

一个 ORing 解决方案应该具备根据每一种应用进行调整的能力。

通常，在进行系统设计的时候很难对总线上的瞬态变化进行预测。

其中部分原因是由于一些未知的寄生参数、负载的组合及配置，以及系统随着时间变化的改进。

只有在系统被构建和测试完成之后，才能了解真实的环境。

结论在创建灵活冗余的电源系统中，电源 ORing 是一种很重要的工具。

各种应用在功率级和关键性能参数上千差万别。

在设计一款解决方案的时候，要将每一个应用中的特殊要求考虑进去。

ORing 解决方案的折衷方法包括R DSON、控制方法、总线和旁路设计、切换阈值和速度以及噪声环境。

最后，就像所有硬件设计一样，要准备好测试和调整解决方案。