一、冗余電源的定義

冗余電源是指多個電源（N+1方式）同時給同一或多個設備供電，當其中1個電源出現故障時，其他電源可以不受其影響，不中斷設備的正常運行。

二、冗余電源的分類

三、冗余開關電源的應用

冗余電源常用于一些需要長時間不間斷操作、高可靠的系統，如基站通 信設備、監控設備、服務器等，往往需要高可靠的電源供應。冗余電源 是其中的關部分，在高可用系統中起著重要作用。

隔離設計方案及線路分析

一、傳統冗余電源隔離方案：

1、優點：由2個或多個電源通過分別連接二極管陽極，以“或門”的方式并聯 輸出至電源總線上，工作可靠性高，不會出現電源間相互干擾

2、缺點：由于二極管本身壓降Vf值較大，從 而會引入兩個缺點：

二、采用分離器件+MOS管方式做冗余電源隔離方案：

1、線路圖及工 作原理：

A、當順流時Va=Vc+Vd=Vq+Vr,因為Q2導通條件：Va-Vb>Vd,但這里Va-Vb

B、當出現反灌電流時Va=Vc+Vd=Vq-Vr,這時Va-Vb

2、優點：MOSFET的導通內阻可以到幾mΩ，大大降低了壓降損耗。在大功率應用中，不 僅實現了效率更高的解決方案，而且由于無需散熱器，所以節省了大量的電路板面積，也減少 了設備的散熱源。同時周圍器件少，成本也不高。

3、缺點：該線路當MOSFET的的選用 R DS(on) 過小，根據線路分析，可能出現 Va-Vb所得的電壓無法開啟Q2的情況，導致隔離線路不受控從而引起大電流到灌的 不良情況發生。

三、采用IC控制MOS管方式做冗余電源隔離方案：

1、線路圖：

工作原理：

該電路的工作原理是，LTC4416通過G1、G2控制2個MOSFET同時導通，使2 路輸入同時給 負載提供電流。當輸入電源電壓不同時，輸出電源電壓可能高于某路輸入電源電壓，這時 LTC4416可以防止輸出向輸入倒灌電流。這是因為芯片一直監測輸入與輸出之間的電壓差， 當輸出側電壓比輸入側電壓高25 mV時，芯片控制G1或G2立即關斷MOSFET，防止電 流倒流。在防止倒流方面，其他控制芯片也是類似的原理。

TPS2412 構成的多路 冗余電源方案：

2、優點：

該電路給采用更低RDS(on) 的MOS管來做冗余電源隔離線路提供了可 靠的保證，同時給追求高效率的冗余電源系統帶來了希望。

3、缺點：

該電路給采用了更低 R DS(on) 的MOS管，造成成本的增加，同 時因為集成較高，當發現某些不良狀況時受限IC功能較大，不 容易修改缺陷。

均流設計方案及線路分析

一、冗余電源均流的必要性：

二、冗余電源均流的分類：

三、電壓下降法：

1、架構原理：

2、工作簡介：

其動作原理主要是利用規劃個別轉換器的輸出阻抗，以此來達成負載電流平均分配的效果， 其主要特點是兩個電源模組并聯但其控制線路上并沒有彼此輸出電流的信息。

3、優點：

（1）：容易擴充并聯系統
（2）：每一臺電源間不需要互相連接
（3）：較高的模塊化能力和可靠度

4、缺點：

（1）：較差的負載調整能力
（2）：在不同負載需求下均流效果比較差

四、主動均流法：

1、架構方框圖：

2、原理特征：

機臺間能獲得彼此間輸出電流的信息，而其輸出電流的信息傳遞的管道稱為均流母線(Currintsharing bus, CS_Bus)。這個均流母線的功用是提供一電流參考訊號，使得每一個并聯的模塊能夠根 據此電流參考訊號來調整本身的控制訊號，最后使負載電流能平均分散到每一部并聯的模塊。

3、電壓下降法與主動均流比較：

電壓下降法雖然比較簡單、容易達成，不過是屬于被動的并聯方式，且其均流準確度和 電壓調整率無法同時具備。主動均流技術雖然比電壓下降法復雜，不過確可以改善電壓 下降法的缺點，而且可以同時具備高均流準確度和高電壓調整率，也是目前最常采用的 并聯方式。

4、主動均流法的分類：

A、按控制架構分：

1）、外回路調整架構：

工作特點：

每一個電源模塊本身已經有一個電流回路當作是內回路用來改善系統的動態響應以及穩定度， 另外，有一個電壓外回路來調整模塊的輸出電壓。使用外回路并聯電源模塊，只需在每一 個電源模塊電壓回路外，加入一個響應較慢的均流回路利用模塊的輸出電流的誤差來調整 外部電壓回路的參考值，此調整動作將持續到負載電流被平均分配至每一個模塊為止。

優點：
（1）：較易于實現模塊化及標準化
（2）：每系統的架構較有彈性、易擴充及維修容易
（3）：較佳的故障容許能力。

缺點：
負載變動期間均流效果較差。

2）、內回路調整架構：

工作特點：

內回路調整法與外回路調整法最大的不同是，其均流總線之共同參考命令是由電壓誤差訊號所產生，而不是電 流，主要動作原理為：由調整每個電源模塊之輸出電壓到相同來達到均流的目的。這個方法因為均流回路 在電壓回路之前，因此均流誤差訊號不會通過電壓回路，其均流回路的響應不會像外回路調節法一樣，頻 寬被電壓回路所限制，所以整個系統的響應會比較快而且穩定，可以改善外回路調節法在負載變動期間均 流效果不佳的問題。

優點：
（1）：瞬時期間有較穩定的均流效果
（2）：精確的輸出電壓調整率。

缺點：
（1）提高模塊化的困難
（2）：較差的故障容忍度。

3）、雙回路調整架構：

工作特點：
雙回路的控制架構就是將均流回路是與電壓回路并聯，可以兼具外回路調整法與內回路調整法之優點。雖 然這種控制架構和內回路調節法一樣對于原來模塊的控制電路都需要重新設計。不過，每一個回路在設計 上卻可以提供較多彈性，不需要對兩回路間的相互影響有太多的顧慮，所以均流回路可以不受到電壓回路 的頻寬限制，可以有較快的響應能力，也可將均流回路與模塊本身的電流內回路整合在一起，使得整體架 構變的更簡

優點：
（1）：瞬時期間有較穩定的均流效果
（2）：精確的輸出電壓調整率。

缺點：
提高模塊化的困難

B、按均流誤差訊號方式分：

1）、平均電流法：

工作特點：

利用電阻將每一部電源模塊輸出電流平均，此平均電流訊號提供給每 一部電源模塊作為共同電流參考命令。

優點：
（1）：系統較穩定且均流準確度高
（2）：均流控制抗噪聲免疫力佳。

缺點：
因為均流總線上的電流命令為(Io1+ Io2+…+ Ion)/N，若其中一部電源模 塊發生故障，使得其輸出電流為0， 容易引起系統停機。

2）、直接主仆法：

工作特點：

直接主仆總線是在并聯的電源模塊中選擇其中一部模塊當做是主電源模塊，驅動 均流總線使用其輸出電流的信息，而其它的電源模塊則是根據均流總線上的電流 參考命令去調整其本身的輸出電流，讓自己的輸出電流能與主電源模塊相同。

優點：
（1）：均流準確度高
（2）：系統與輸出電壓較穩定。

缺點：
故障容許能力不佳，假如主模塊故障 的話將會使得均流排上的電流訊號變 為零，結果會讓其它的從模塊會無法 接受均流相應。

3）、自動主仆法：

工作特點：

利用二極管將輸出電流最高的電源模塊之輸出電流，做為其它電源模塊之共同電 流參考命令，其它電源模塊會相應其命令使自身電流更接近最高的電源模塊之輸 出電流。

優點：
（1）：系統有較佳的故障容忍度
（2）：易擴充及實現模塊化。

缺點：
（1）：瞬時時電流分配較差
（2）：均流控制易發生錯誤
（3）：均流排抗噪聲能力差。

五、自動主仆法CS-BUS相互干擾在線路上的改進：

A、機臺CS-BUS相互干擾原因分析：

當仆模塊的電流增加超越主模塊時，其主、仆的角色將會互換，但是如果每個模塊的電流太接近的話將會造成角色互 換的動作太過于頻繁而產生輸出電流低頻振蕩。

B、在應用線路上的改善方案：

為了避免因為模塊之間主、仆的角色互換動作太過 于頻繁所產生的低頻振蕩，可以在每一個電源 模塊的均流誤差放大器的反相輸入端加入一直 流準位(Ioffset)、這樣的話，仆模塊的電流必須 要大于主模塊的加上一個直流準位(IO_SLAVE ＞IO_MASTER+ Ioffset)，主仆的角色才會更 換，如此一來低頻振蕩的問題就可以獲得改善。

六、現行生產的均流線路分析：

A、采用LM2902線路解析：

（一）、線路解析：

（1）、信號采樣線路
（2）、CS-BUS信號的采樣線路
（2）、CS-BUS信號補償線路
（4）、環路調整電壓線路：

（二）、采樣線路及均流母線調試分析：

（1）、線路圖

（2）、采樣線路電壓不穩的原因

A、運放地和運放自身漏電大小不一造成
B、放大倍數過大引起

（3）、解決方案：

利用外圍線路對Va點電壓進行補償

補償方式：

A、在負載為零時確定Va的最小電壓
B、在最大負載時確定Va的最大電壓

（三）、采樣線路及均流母線調試分析：

（1）、線路圖

（2）、RB11的應用
通過RB11對PIN6的補償，使得Va>Vb, Vb =Vc, Va>Vc，單機狀態下均流電路不誤動作

（3）、RB31的選擇
RB31決定均流電路完全動作時機臺最大調節電壓

（四）、線路調試過程中的問題及改進：

1、取樣線路元件內部差異引起均流效果誤差大：

（1）引入補償
（2）采樣高精度的采樣元件

2、引入負電平補償后引起快速AC ON\OFF時CS-BUS干擾問題

通過及時清除單機均流母線電壓及通過PG信號啟動單機均流線路的方式，達成改善均流母線在ACON\OFF產生干擾問題。

采用TI 的UC3902或ST 的L6615均流控制器方案：

UC3902線路解析：

（1）、信號采樣線路(A)電流互感器方式（B）Sense電阻
（2）、CS-BUS信號的采樣線路：
（3）、CS-BUS信號補償線路：
（4）、反饋環路調整線路：

冗余電源設計的幾個注意事項

一、可調電阻在冗余電源線路上的應用：

A、由于可調電阻本身構造的問題請勿在單回路中使用，使用可調電阻時請在其線路上并一電阻以提高其可靠性。

B、可調電阻不管是SMD類還是DIP類請勿過錫爐，防止高溫變形和松香干擾。

C、可調電阻在線路中調試OK后請勿記點膠固定，防止運輸抖動干擾。

二、連接器設計在冗余電源插拔時序上的應用：

1、不良現象：
單機帶電快速插拔瞬間，偶爾出現其他運行機臺停機現象

2、原因分析：
機臺插拔瞬間，所插拔機臺的信號線瞬間斷開，環路反饋開路引起插拔機臺輸出電平異常，從而干擾其他運行機臺。

3、時序改善狀況：

接觸時序：電源地----信號連接點-----輸出電平點-----PS-ON點
脫離時序：PS-ON點----輸出電平點-----信號連接點------電源地
通過以上改善后就可以做到：接觸OK后開機；關機后再脫離。

三、冗余電源報警系統的設計（蜂鳴器及LED燈線路）：

1、冗余電源報警要求：
電源在工作運行中，當單機或整機出現任何不良信息時，電源要作出故障報警動作，包括聲音和顯示。

2、冗余電源報警線路：

四、冗余電源防靜電設計：

1、冗余電源防靜電設計的重要性：
由于冗余電源工作時在多機情況下工作，在機臺連接中就不免會出現連接器，連接器上的信號線（如報警信號線、保護反饋線、PG線，數據通順線等）會常常暴露在外面，這些信號線一般都是通過連接器跟其他機臺聯系在一起才形成一個回路，當單機拔出后就可能形成一種開路狀態，在這種情況下很容易受到靜電的傷害。

2、設計建議：
（1）、冗余電源線路設計時所有連接信號線請不要出現環路開路狀態，如不能加電阻請加穩壓管替代（如PG信號線路加一穩壓管到地）。
（2）、在設計驗證時要對連接器上所有連接臨近端點進行短路實驗。

五、冗余電源風扇控制及報警線路設計：

（1）三線風機其風扇速度靠三極管去控制電壓來完成，功率損耗大，控制元件發熱量高
（2）四線風機其風扇速度靠外部電平高低進行控制，容易控制轉速，控制元件少，功耗小。

六、冗余電源可調電壓的選擇：

為何產線在生產時要精調電壓（如12V要精確調到0.1V以內）

七、冗余電源單\多路平均流線路設計的優\缺點：

冗余服務器的模塊化設計

一、接功率大小定電源主架構：

二、均流線路的模塊儲備：

冗余電源的應用前景

1、架構及工作方式：

2、難點分析：

由于主板上有較多的固態電容，在其中的單主板開啟瞬間，其瞬態阻抗很小，瞬間電源承受負載電流很大，但正常運行中的電源瞬態反應跟不過來引起輸出電壓快速下降，從而導致整個系統全部停機。

3、嘗試解決方案：

A、前面冗余電源模塊輸出電壓比主板需求最高電壓還高，后段采用DC TO DC方式來完成給主板供電。
B、通過IC創建一個軟啟動線路。

該線路通過CPO懸空使芯片不能快速通斷MOSFET，依靠欠壓檢測使GATE引腳在上電后延遲開通MOSFET，由R1、C組成的阻容網絡使電源輸出的電壓上升速度減慢，從而達到產生軟啟動的效果。

二、冗余電源在大LED屏顯示和大型LCD屏上的應用：

1、優點：
（1）、可靠性高、穩定性強
（2）、方便客戶進行維護

2、難點分析：
（1）、電源需要承受更大動態的電流相應速度
（2）、整個系統內部布線更為復雜
（3）、露天需要更可靠的防水設計