冗余熱備份電源的設計研究

在設計某高可靠性計算機系統時(shí)，要求其配套電源采取冗余設計。一般來(lái)說(shuō)，可以采取的方案有容量冗余、冗余冷備份方式、并聯(lián)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(shí)際負載，也就是“大馬拉小車(chē)”，其缺點(diǎn)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(gè)或多個(gè)功能相同的單元模塊組成，電源啟動(dòng)后由其中一個(gè)單元模塊向設備供電，當工作單元發(fā)生故障時(shí)，備份單元立刻啟動(dòng)向設備供電。這種方式的缺點(diǎn)是備份單元的啟動(dòng)到輸出電壓的建立需要一定的時(shí)間，容易造成輸出電壓出現較大的豁口，這樣會(huì )對被供電的設備產(chǎn)生影響。

并聯(lián)均流的N＋1備份方式是指電源由多個(gè)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(guò)或門(mén)二極管并聯(lián)在一起，有時(shí)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(gè)單元同時(shí)向設備供電，單個(gè)單元故障（失效）一般不會(huì )對輸出電壓產(chǎn)生影響，但是，如果輸出線(xiàn)發(fā)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(gè)功能相同的單元組成，電源啟動(dòng)時(shí)所有單元同時(shí)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(tài)，當向設備供電的單元出現故障時(shí)，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(yōu)點(diǎn)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(gè)很小的范圍內波動(dòng)。

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(gè)功能相同且同時(shí)處于工作狀態(tài)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(fā)生故障時(shí)，切換電路立即動(dòng)作，使另一個(gè)單元向設備供電，同時(shí)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(jīng)過(guò)濾波后提供給功率變換電路，控制電路通過(guò)實(shí)時(shí)檢測來(lái)控制功率變換電路，以實(shí)現輸出隔離穩定的5V電壓，同時(shí)對輸出電壓進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)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(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現。正常狀態(tài)下兩個(gè)單元之一向設備供電，發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)處于熱備份的單元立刻向設備供電，同時(shí)切斷故障單元的輸出。若兩個(gè)單元的輸出監測電路同時(shí)發(fā)生故障，則兩個(gè)單元同時(shí)向設備供電，由于每個(gè)單元的輸出端均連接了或門(mén)二極管，這時(shí)為電源輸出并聯(lián)方式下的備份。2 監測與切換功能的電路實(shí)現

作為一種冗余熱備份電源，主要問(wèn)題是工作單元的故障判斷。如果采取對電源的各個(gè)可能故障點(diǎn)設置傳感器，通過(guò)智能芯片或分立芯片組進(jìn)行故障判斷，再采取相應的切換控制，那么整個(gè)電源的復雜程度會(huì )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(huì )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(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)，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(shí)現單元1的輸出電壓監測和控制單元2輸出切換開(kāi)關(guān)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(shí)（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(guò)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(guò)電流，使單元2的切換開(kāi)關(guān)打開(kāi)，單元2向設備輸出電壓。同時(shí)，當單元2的輸出電壓在設定的電壓范圍時(shí)（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(guò)電流，使D02的腳4、5導通，V013基極電壓變高，D01的腳1、2流過(guò)電流，使單元1的切換開(kāi)關(guān)關(guān)斷，單元1不向設備輸出電壓。同樣，單元2中對稱(chēng)位置的元器件實(shí)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(kāi)關(guān)的功能。通過(guò)設定C21和C021的電容值來(lái)設定電源啟動(dòng)時(shí)哪個(gè)單元先向設備供電，電源啟動(dòng)過(guò)程中D2、D02的腳4、5均會(huì )有極其短暫的導通，C21、C021的電容值小的單元先切斷另一個(gè)單元向設備供電的通路。通過(guò)圖2可以看出本電源的2個(gè)單元中，若單元1先輸出正確的電壓，則單元2的輸出被關(guān)斷；單元1輸出電壓不正確，單元2的輸出切換開(kāi)關(guān)打開(kāi)向設備供電，同時(shí)切斷單元1的輸出電壓。反之亦然。

3 實(shí)驗結果

用示波器觀(guān)測兩個(gè)單元的輸出端，可以觀(guān)測到單元1向設備輸出電壓，單