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提升電源供應保護系統
兼具零缺點與高供應能力等優點

【作者: Carl Smith】   2006年11月03日 星期五

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高供應能力應用,例如行動通訊基地台與工業控制系統,使用備援電源供應,當主電源發生故障時,可以消除系統當機。傳統上,備援電源設計使用‘ORing’技術,可以輸出2個或更多電源組合,建構備援電源供應系統。


傳統上,‘ORing’技術設計於每個電源端使用‘ORing diode’,當其中一個電源發生短路時,用以保護備援電源電壓,當電源至接地線發生短路時,這個二極體可以防止逆向電流,因此,系統可以隔離故障電源,然後由備援電源接替供應。


遺憾地,二極體先天的正向電壓較高,當正常作業時,功率損耗相對較高,這樣可能為設計者帶來一系列問題,特別是功率損耗造成熱量乃是新興高功率、高零件密度設計應用之主要問題,熱量管理是主要的挑戰,通常這意味著”穿孔”與散熱器乃是必要的設計,因而製造上增加相當的複雜程度。電壓故障甚少發生,而二極體依然存在;當系統正常操作時,它代表一種效率與熱量相關的成本費用,影響系統效能與設計。


因此,設計使用金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)代替二極體,而且外部IC提供金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)閘道驅動訊號,這項技術結合速度與二極體保護功能以及同步整流器效能。因為金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)大幅改善正向傳導功率損失,所以一般可以使用小型表面黏著(SMT)安裝的金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)。


Active Oring控制驅動IC

有關該設計流程圖,如(圖一)所示,(圖二)顯示電路設計圖。相較於一般Schottky diode ORing電路,運用IR5001S active ORing IC結合特定功率的最適外部金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)之系統,可以減少基板的功率損耗(最大降低約85%;其體積相較於二極體設計至少縮小約50%。


IR5001S active ORing控制器IC適用於廣泛的active ORing電路,包括電信級-48V/-24V(輸入) active ORing通訊設備,備援AC-DC 整流使用的24V/48V (輸出),多點輸出DC-DC and AC-DC 使用的12V(輸出),備援電壓調節器模組(VRM)DC-DC處理器電源使用的低電壓輸出。在12V(輸出)系統中,使用4個IRF6609 Direct FET MOSFETs並聯,ORing電路能夠處理電流100A。另外,IR5001S可以使用於48V/24V系統防止反極性電源(reverse polarity),取代大型D2Pak二極體與成本高昂的繼電器。


當使用IR5001S 與100V IRF6655 DirectFET MOSFET可以解決功率30W~60W的問題。IRF6655小型設計相較於SO-8解決方案,可以節省體積50%,而且適用於低功率應用。100V IRF6644 DirectFET MOSFET中型設計可以使用於高功率應用(功率250W-300W),無需並聯許多SO-8裝置或使用大型單一裝置。


IR5001S增加一個簡單的充電泵浦電路,它可使用於ORing/-48V,符合高階通訊運算架構(ATCA)規範。


IC電路應用

透過量測外部金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)的汲極(drain)與源極(source)有關電壓與極性之差異,輸入端(INN and INP)用以決定輸出電壓。IC輸出電壓驅動外部金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)的閘道,如果發生逆向電流時,IC將降低Vout電壓,迅速關閉active ORing MOSFET。IR5001S關閉延遲一般約需130nS,而FET關閉延遲約需20ns。關閉延遲時間相當重要,因為MOSFET不像二極體,其傳導通道容許雙向電流,因此,如果輸入電流源極(source)發生故障,則可能發生逆向電流,此時,輸入電壓將開始下降,可能牽動拉下備用電源的電壓。為了Active ORing解決方案發揮效用,控制IC必須監視系統狀態,當發生逆向電流,控制IC必須能夠迅速關閉金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)。


IR5001S IC包括診斷引腳(ET Check“FETch”and FET Status“FETst”)用以確定active ORing的狀態,這對於較長啟動時間之系統尤其重要。當傳送邏輯訊號至FET Check pin,其IR5001S電壓輸出或閘道驅動MOSFET,將拉下電壓關閉MOSFET,這個暫時關閉期間將促使MOSFET的汲極與源極電壓增加,因為電流從MOSFET通道轉向流至汲極二極體。如果電壓增加大約從<100mV-700mV(對於汲極二極體而言,此時,MOSFET功能正常;但是如果電壓增加不能超過門檻值300mV時,表示MOSFET發生短路。FET狀態引腳輸出訊號至系統,端視外部金屬氧化半導體場效電晶體狀態而定,這項功能啟動系統等級監控active ORing電路,提供定期維修,而不會造成系統隨機當機造成不方便。


非對稱補償電壓防止在輕負載時產生輸出震盪,提高系統可靠度;可以從通用通訊電壓36V to 75V或從外部偏壓電源或從偏壓電阻彈性設計,啟動IR5001S。IR5001S也能承受持續閘道短路狀況,同時持續承受輸入引腳電壓最高至100V,提升系統可靠度。


結論

使用IC/MOSFET-based Active ORing設計,提供設計者透過表面黏著安裝方法,實現高效率功率解決方案,無需體積大的穿孔與散熱器設計。另外,透過Active ORing解決方案與2個SO-8設計-其中一個為IC,另外一個為MOSFET-可以節省零件體積。通常防止逆向電流極性保護安裝於系統機架或面板上,可以大幅簡化系統設計。另外,有許多應用卡需要備援電源,新型IC 電路設計搭配Active ORing解決方案,可以降低系統耗電數百瓦特。


(International Rectifier公司,市場行銷部經理Carl Smith)



《圖一設計流程圖》
《圖一設計流程圖》
《圖二  電路設計圖》
《圖二 電路設計圖》

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