Использование контроллера распределения токов с нерезервированными источниками питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2016

Bob Smith, Linear Technology

Design Note 1036

Введение

Микросхема LTC4370 выполняет функцию контроллера управления схемой «ИЛИ» на двух идеальных диодах, образованных внешними MOSFET, предназначенной для перераспределения токов двух источников питания, работающих на общую нагрузку. LTC4370 может выполнять активную балансировку выходных токов двух источников даже в тех случаях, когда их выходные напряжения неодинаковы. Распределение токов между двумя источниками питания с разными напряжениями, работающими на общую нагрузку, балансируется регулировкой прямого напряжения диода, включенного в цепь с более высоким напряжением. Максимально допустимое падение напряжения программируется внешним резистором, подключаемым к выводу RANGE микросхемы LTC4370.

Обычная система с диодным «ИЛИ» работает по принципу «победитель получает все», когда весь ток забирается в нагрузку от источника с наибольшим напряжением. В такой схеме, где в каждый момент времени активен только один источник, ресурсы двух источников недоиспользуются. Основанная на диодном «ИЛИ» технология перераспределения токов, реализованная в LTC4370, напротив, дает все преимущества использования токов обоих источников:

• За счет уменьшенной вдвое нагрузки увеличивается срок службы каждого источника питания, улучшается распределение тепла и снижаются температурные перегрузки элементов схем источников.
• Исключается ситуация, возможная в схемах с простым диодным «ИЛИ», когда переключение происходит на резервный источник, который, возможно, уже незаметно отказал.
• Динамика восстановления при отказе питания оказывается более гладкой и быстрой, так как изменения нагрузки имеют характер «больше» и «меньше», а не «включено» и «выключено».
• DC/DC преобразователь, образованный двумя источниками, нагруженными наполовину, имеет более высокую общую эффективность преобразования, чем при одном источнике, работающем вблизи верхнего предела своей выходной мощности.

Обычно LTC4370 используется для перераспределения выходных токов двух таких источников питания, из которых каждый способен отдать весь необходимый нагрузке ток, когда выход одного из них падает ниже порога включения перераспределения, установленного резистором, подключенным к выводу RANGE микросхемы LTC4370.

Функция перераспределения может использоваться также для питания общей нагрузки от двух источников, когда ток каждого из них не обеспечивает потребностей нагрузки, а суммарный выходной равен или превосходит ток, потребляемый нагрузкой.

Однако остается одна проблема, связанная с тем, что в нормальном режиме работы LTC4370 позволяет источнику питания с наибольшим напряжением отдавать весь потребляемый нагрузкой ток. Поскольку в этом случае оставшийся источник неспособен обеспечить полное питание нагрузки, такой режим работы должен быть исключен. Описываемое в этой статье решение при возникновении такой ситуации отключает источник от нагрузки.

Принцип работы

В нормальном режиме работы LTC4370 контролирует токи обоих источников питания. В обычных условиях при использовании настоящих диодов весь ток нагрузка получает от источника с бóльшим напряжением. LTC4370 не допускает такой ситуации, линейно управляя MOSFET в канале с более высоким напряжением таким образом, чтобы обеспечить равенство его тока току источника с меньшим напряжением. Максимально допустимая разность напряжений определяется резистором, включаемым между выводом RANGE и землей.

Если разность входных напряжений выходит за программно установленные пределы, LTC4370 запрещает функцию перераспределения токов. Микросхема имеет два статусных выхода, каждый из которых контролирует напряжение на затворе одного из двух MOSFET. При штатной работе, когда какой-либо MOSFET выключен (то есть, разность напряжений вышла за пределы запрограммированного диапазона), соответствующий этому транзистору сигнал FETON имеет низкий логический уровень.

На первый взгляд, кажется, что если объединить эти сигналы логической функцией «И», они могли бы использоваться для управления нагрузкой, отключая ее, когда MOSFET закрывается (указывая, тем самым, на потерю контроля над распределением тока). Однако оба сигнала FETON возвращаются в «лог. 0», когда через MOSFET протекает нулевой ток. В этой ситуации, если нагрузке отключена и не потребляет тока, система оставалась бы в таком состоянии бесконечно долго.

Описываемая здесь схема следит за разностью входных напряжений и, если обнаруживается, что она достигла установленного значения, запрещает питание нагрузки. Разность напряжений программируют так, чтобы она была ниже максимального порога микросхемы LTC4370. При обнаружении дисбаланса напряжений нагрузка отключается. При этом для исключения входа в режим колебаний схема переключается в пульсирующий режим (режим «икания»), когда питание подается порциями по 200 мс каждые 3.2 с. Блок-схема цепи слежения за разностью напряжений изображена на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Блок-схема сумматора токов.

Как видно из блок-схемы, для определения факта выхода абсолютного значения разности напряжений между входами источников питания V_INA и V_INB за допустимые пределы и соответствующего управления распределением токов используются два компаратора. Когда это происходит, на выходе логического элемента «ИЛИ» с активными низкими уровнями устанавливается «лог. 1», включающая схему управления пульсирующим режимом выключения и запуска. В штатном режиме работы напряжение на выходе схемы имеет высокий уровень, и питание нагрузки разрешено. При разбалансе входных напряжений, превышающем установленное значение, схема управления пульсирующим режимом активируется, и «лог. 0» на ее выходе отключает нагрузку. Схема управления пульсирующим режимом следит за разностью напряжений в течение 200-миллисекундных периодов включения и отключается, когда после устранения неисправности система возвращается к нормальной работе.

Описание схемы

Схема законченного решения изображена на Рисунке 2. U2 и U3 на этой схеме – компараторы LT1716 семейства Over-The-Top, используемые для обнаружения различий между напряжениями V_INA и V_INB.

Рисунок 2.

Пороговое напряжение смещения для компараторов формируется источниками тока на транзисторах Q5 и Q6 в комбинации с резисторами R8 и R9. Токи коллекторов Q5 и Q6 стабилизируются на уровне 100 мкА транзисторами Q1, Q2, Q3 и источником опорного напряжения LT6650 (U6). При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R8 и R9, равных 3.01 кОм, напряжение смещения равно 300 мВ. В случае необходимости в другом смещении величины этих резисторов можно изменить.

Когда напряжение на входе любого компаратора U2 или U3 достигает определяемого смещением порога, на их выходах устанавливается логический ноль, разрешающий переход схемы в пульсирующий режим.

В схеме используется счетверенный логический КМОП элемент «2И-НЕ» (U4) с гистерезисом на всех входах и 4-разрядный программируемый КМОП счетчик 74HC163 (U5).

До тех пор, пока напряжения V_INA и V_INB не выходят за пределы порогов, заданных резисторами R8 и R9, на выходе элемента U4A будет «лог. 0». Когда напряжения V_INA и V_INB превышают этот порог, на выходе соответствующего компаратора появляется «лог. 0», устанавливая «лог. 1» на выходе U4A.

Высокий логический уровень на выходе U4A инвертируется элементом U4B, и на одном из входов элемента «ИЛИ» U4C появляется «лог. 0». В результате уровень напряжения на выходе U4C становится высоким, разрешая начало счета счетчику U5. После первого счетного импульса в счетчике будет ноль, и выход переноса TC опустится в «лог. 0». Благодаря обратной связи с выхода TC на вход элемента U4C низкий логический уровень на выходе U4C будет сохраняться еще в течение следующих 15 входных импульсов, независимо от состояния другого входа, подключенного к U4B. По достижении счетчиком значения 16 логический уровень выхода TC на время 200 мс становится высоким. На это время разрешается подключение нагрузки. Если компараторы определят, что разность напряжений находится в заданных пределах, счетчик остановится. При этом на выходе TC останется «лог. 1», разрешающая подключение нагрузки. Если же разность напряжений вышла за допустимые границы, счетчик вновь начнет считать до 15, а на выходе TC в это время будет «лог. 0». Таким образом, до тех пор, пока не устранена неисправность, каждые 3.2 с нагрузка подключается на 200 мс.

Синхронизация схемы обеспечивается гистерезисным релаксационным генератором на элементе U4D. Период колебаний, равный 200 мс, определяется номиналами компонентов R14 и C7.

Микросхема LTC4370 (U1) здесь выполняет функцию распределения токов. Резистором R1 установлен порог 300 мВ. Работа этого устройства подробно описана в справочных данных.

Питание дополнительной схемы берется с вывода V_CC микросхемы LTC4370.

Выводы

Микросхема LTC4370 разработана, в первую очередь, для выполнения функций контроллера диодного «ИЛИ», управляющего распределением токов между двумя дублированными источниками питания. Добавив несколько дополнительных компонентов, ее можно легко использовать в качестве надежного контроллера распределения токов в нерезервированных системах, где для обеспечения нагрузки питанием требуются оба источника. Описанная здесь схема эту функцию выполняет.

Материалы по теме