几种实用的低电压冗余电源方案设计样本
高压低压配电柜的电源冗余和备份策略
高压低压配电柜的电源冗余和备份策略在现代工业生产中，配电柜扮演着不可或缺的角色，它负责将高压电源转化为低压电源，为电气设备提供稳定可靠的电能。
然而，电力供应的中断或故障可能会对生产造成严重影响，因此采取电源冗余和备份策略是必要的。
本文将探讨高压低压配电柜的电源冗余和备份策略。
一、电源冗余策略为了保证连续供电和可靠性，高压低压配电柜通常采用冗余电源策略。
冗余电源是指为主电源提供备用电源，以便在主电源故障时能够切换到备用电源。
常见的冗余电源策略主要有以下几种：1. N+1冗余N+1冗余是指在所需电源数量（N）的基础上增加一个备用电源。
例如，如果一个配电柜需要两个电源供电，那么采用N+1冗余策略将需要三个电源。
这种策略的好处是在主电源故障时可以无缝切换到备用电源，确保电力供应的连续性。
2. 2N冗余2N冗余是指为每个电源提供一个备份电源。
这种策略需要两个完全独立的电源系统，并保证每个电源都能满足全部负荷需求。
与N+1冗余相比，2N冗余的可靠性更高，但成本也更高。
3. N+N冗余N+N冗余是指为每个电源提供一个备份电源，并将负荷均匀分配给所有电源。
这种策略在主电源故障时，所有备份电源都能够均衡承担负荷。
尽管具备一定的冗余能力，但与2N冗余相比，N+N冗余的可靠性较低。
二、电源备份策略除了冗余电源策略外，配电柜还需要采取电源备份策略，以应对特定情况下的电力中断。
常见的备份策略主要有以下几种：1. UPS（不间断电源）备份UPS是一种用于提供短暂备份电源的设备，主要用于应对短时间的电源中断。
它通过电池或超级电容器储存电能，并在主电源中断时立即切换到备份电源，以保证电气设备的连续供电。
UPS备份可以为敏感设备提供充足的电力供应，避免数据丢失和生产中断。
2. 发电机备份对于长时间的电力中断，发电机备份是一种可靠的选择。
发电机可以自动或手动启动，为配电柜提供稳定的备用电源。
它通常通过柴油或天然气燃料驱动，可以持续供电数小时甚至数天。
电源系统实现冗余的几种方式
电源系统实现冗余的几种方式电源系统实现冗余的几种方式目前，尽管配电系统已经相当可靠，但是考虑到重要数据的处理和存储，许多公司采用UPS来进行对服务器、数据中心等设备的保护。
目的是为了确保重要设备可以应对突发性的电源故障。
本文主要介绍了以下几种实现电源系统冗余的方式：1。
单机/并机满载冗余方式：UPS接在电网与负载之间对负载进行保护，是最基本、最简单的保护模式。
如果UPS出故障，或者负载过载，UPS就会切换到旁路方式运行。
负载就在市电直通方式下运行，为了对UPS进行维修，尽快排除故障，一般采用外部旁路（维修旁路盘）对UPS进行隔离，以便在负载不断电的方式下进行UPS的维修。
但是这种方式有其局限性，主要是当负载在UPS工作在旁路方式下时，缺乏可靠的电源保护。
2。
隔离冗余方式：隔离冗余方式是指一台或者多台UPS作为第一级电源保护设备，另外一台机器作为二级电源，备用使用。
一级电源有各自的负载总线,二级电源为所有一级电源设备提供旁路电源。
工作时二级电源空载运行，但是，在一个周波的时间内要求它可以承担从0%到100%的负载。
当一级电源从市电模式切换到旁路模式时，转换开关会自动将其与二级电源断开。
3。
并联冗余方式：并联冗余方式一般由2台或者多台相同功率的UPS组成，负载均分，这种方式也被称为N+1冗余方式，为负载提供的电源总容量是单台电源容量的2倍。
这种工作方式与单机工作方式及并机满载冗余方式相比更加可靠，如果其中一台UPS出现故障，它即自动退出并机队列，剩下机器则继续为负载供电。
4。
分布式冗余方式：分布式冗余方式是目前业内公认的最可靠及可行的工作方式，整个系统内部的UPS各自独立，适用的负载例如：机房内的双电源服务器、精密仪器等。
此种冗余方式最基本的配置是2台UPS，独立输入，不共享数据，但是因为均分负载，因此仍然是并联运行。
5。
分区电源分配方式：在一套UPS配电系统中，从UPS到其最终保护的负载之前，通过其下口的各分配电柜和其它的电气开关之间会有一个较长的能量通路，其间就存在着一些有可能导致整个系统出现问题的故障点，理想的UPS电源系统应该是UPS的输出直接连接后端需要保护的关键设备，在分区电源系统中，UPS更加靠近负载，在几种电源系统冗余方式中，它的可靠性及可用性级别最高。
服务器的冗余电源技术doc
冗余电源是高可用系统中关键的部分。
在最简单的解决方案中，两只电源可以利用二极管来通过或门输出以驱动负载。
这样，这两只电源既可以共同工作，也可以一只工作，一只备用。
场效应晶体管(FET)ORing控制器是一款更实用的解决方案，因为它避免了二极管电压降、功率损耗以及热损耗。
因此我们可以用低电压损失MOSFET来配置新颖经济的系统。
在这里我们将讨论几个服务器冗余电源配置的示例。
服务器的冗余电源技术高可用系统的电源总线可能采用OR或者N+1配置，或者两者同时采用。
通常来说，因为存在正向压降及其带来的热损耗，所以在低电压、高电流的应用中我们不采用二极管。
因此人们更倾向于采用FETORing技术。
然而，采用高度集成和分立式设计的MOSFSET控制器本身也存在很多不足之处。
在图1中，MOSFET两端的差分电压VAC是由控制器监控的，控制器是根据VAC来设置MOSFET的闸极电压的。
在MOSFET开启和关闭时的实际开关点电压以及控制的方法和速度决定了控制器成功地模拟二极管的性能和稳定性。
TPS2410控制器是专门为服务器应用而设计的。
服务器的负载通常是低电压、相对稳定的高电流，不允许出现流向失效电源 (failedpowersupply)的反向电流。
下面我们将讨论一些有关冗余电源配置的示例。
示例中采用了图1中带方框的二级管符号来表示N通道 MOSFET和控制器的简图。
图 1、“带框的二级管”表示控制器和MOSFET的简图OR配置图2显示了一款简单的ORing电源控制器。
通常，在刀片服务器上的主电源总线为正12伏。
其他电源轨上的OR布线也是如此，甚至包括CPU的内核电压，它们通常是0.8到1.8伏。
计算机内核电压太低，无法使用二极管。
图 2、简单电源的OR这个例子当中的组件位置没有标出。
设计人员可以把系统分区然后在电源或者刀片服务器上找到ORing电路。
并联的MOSFET控制器的栅极关断电流足以驱动MOSFET栅极。
国产电源冗余方案
国产电源冗余方案引言在现代电子设备中，电源的稳定供应对于设备的正常运行至关重要。
为了保证设备在电源故障或异常情况下仍能继续工作，冗余电源方案应运而生。
本文将介绍一种国产电源冗余方案，以保障设备的稳定供电。
1. 冗余电源的概念冗余电源是指在电力系统中，通过增加备用电源来提高设备的可用性。
当主电源出现故障时，备用电源会立即接管供电，保证设备的可靠运行。
冗余电源方案在各种关键设备中广泛应用，包括服务器、网络交换机、工控系统等。
2. 国产电源冗余方案2.1. 冗余电源模块国产电源冗余方案采用模块化设计，主要包括主电源模块和备用电源模块。
主电源模块负责主要供电功能，备用电源模块作为互换备份电源。
2.2. 智能切换功能国产电源冗余方案还带有智能切换功能，能够检测主电源的状态并在发生故障时切换至备用电源。
切换过程一般在几毫秒级完成，保证设备的连续供电。
2.3. 多路输出为了满足不同设备的供电需求，国产电源冗余方案通常配备多个输出接口。
这些接口可以根据需要配置为直流输出或交流输出，以适应不同设备的供电要求。
2.4. 故障报警功能国产电源冗余方案的备用电源模块通常带有故障报警功能。
一旦备用电源出现异常，如电流过载、电压过高或过低等，系统会立即发出警报，以提醒用户处理故障。
2.5. 热插拔设计为了方便维护和升级，国产电源冗余方案采用了热插拔设计。
用户可以在设备运行的情况下更换备用电源模块，无需停机维护，提高了系统的可靠性和可用性。
3. 应用案例3.1. 服务器冗余电源服务器通常需要保证高可用性，因此冗余电源方案在服务器中得到广泛应用。
国产电源冗余方案可以提供双电源输入，以保证服务器在一台电源故障时仍能正常工作。
3.2. 工控系统冗余电源工控系统对电源供应的稳定性要求较高。
国产电源冗余方案在工控系统中可以提供备用电源的持续供电，以确保工控设备在主电源故障时继续正常运行。
3.3. 网络交换机冗余电源网络交换机的稳定供电对于网络的正常运行至关重要。
几种实用的低电压冗余电源方案设计
几种实用的低电压冗余电源方案设计摘要通过对电源冗余的系统介绍和分析，指出传统方案和替代方案的优缺点。
着重说明了在新的低电压冗余电源方案设计中MOSFET不同于常规的应用原理，并且根据不同的需求给出了几种以LTC4416、PI2121、LTC4352、LTC4350、TPC2412为代表的典型应用电路方案，说明了其中重点电路的原理。
关键词冗余电源热备份 MOSFET引言对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、监控设备、服务器等，起着重要作用。
往往需要高可靠的电源供应。
冗余电源设计是其中的关键部分，在高可用系统中冗余电源一般配置2个以上电源。
当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。
这类似于UPS电源的工作原理：当市电断电时由电池顶替供电。
冗余电源的区别主要是由不同的电源供电。
电源冗余有交流220 V及各种直流电压的应用，本文主要介绍低压直流（如DC 5 V、DC12 V等）的冗余电源方案设计。
1 冗余电源介绍电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N＋1备份、冗余热备份等方式。
容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大。
冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作。
这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口。
并联均流的N＋1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电。
这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及所有单元。
冗余热备份是指电源由多个单组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其他空载。
主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。
本文主要介绍后两种方案的设计。
2 传统冗余电源方案传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上。
适合冗余电源架构的有源或门方案
应用
通用低电压 达至 100V (低端)
通用低电压 有源或门 连负载切断
偏压电源
4.5 V-13.2V 4.5V-13.2V
场效应管栅 驱动电压
8.5V-10.5V
9V-11V
场效应管栅 放电电流
4A (典型)
4A (典型)
3 mm x 3 mm, 10 引脚 TDFN
PI2122 是一个 7V，12A 方案，整合了背对背式的场效应管，它的典型导通电阻只有 6mΩ，产品 的效率很高。PI2122 对输入电源及输出负载故障均能作出快速响应，响应时间分别在 140 ns 与 170 ns(典型)内。可用作真正的双向开关器，除了能迅速回应反向电流，当 PI2122 侦测到正向过 流，过温，欠压及过压故障时，它会迅速地关断场效应管，提供一个负载切断功能。遇到过流 时，PI2122 同时可提供一个用户编程的自动重试关机装置。
PI2121/PI2123/PI2125 表现
功耗少 10 倍, 减少处 理散热成本
Picor 的冷或门方案和现有标准肖特 基二极管的功耗对比
例子：3 x 24A 并联 PI2121 以供应 72A 负载
PI 2121 8V, 24A,适合 ≤5V 母线应用
PI2123 15V, 15A,适合 ≤9.6V 母线应用
浏览冷或门系列新闻
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一般或门
有源或门
采用二极管 使用容易 (双引脚器件) 高功耗 按二极管的VF 而定, 萧特基二极管:~0.45V 需要注意处理散热 防止向反电流的简单方法 体积大 低效率
采用场效应管及控制器 低功耗 (减低10%以上) 按场效应管的导通电阻而定 热处理要求小 体积小、高密度、表面贴装方案 高效率 供电故障的控制器需要有快速的动态反应
UPS冗余配置方案分析
冗余配置方案分析
一：主从热备份方案
整流器逆变器
负载
手动维修旁路
二：双机并联方案：
整流器逆变器
方案比较：
1．设备容量：两个方案相同，两台UPS输出容量均按负荷容量选择；
2．可靠性：方案二比方案一高一级；设UPS1、UPS2及旁路的可靠度均为0.95，直流电源可靠度为1，见下计算：
方案一=1-（1-0.95）（1-0.95²）²=0.9995246
方案二=1-[1-（1-0.95）²]²=0.9999937
3．后备方式：方案一明备用，方案二暗备用；
4．利用率：方案一其中一台空载，利用率低，方案二两台利用率一样；
5．技术难度：方案二要求双机并列，均压均流，性能一致；
6．投资：方案二少于方案一；
7．过载能力：方案二比方案一高一倍，方案一如果遇到冲击、短路、过载等，切换旁路可能有两次，可靠性降低；
8．应用场合：方案一适用于旧系统不需增容的改造工程或性能达不到均压并联要求的场合，新工程及设备增容或增加冗余应采用方案二。
具有冗余输出功能的电源设计
图1传统电源冗余方案
然而在列车设备中目前应用的电源系统中，
设备所需要的电流都比较大，最大甚至可达到几十安培。
考虑到二极管本身的功耗，为了避免二极管因温度过高而
通常这些二极管上还需要安装大功率散热片。
图2电源板冗余输出控制原理
折弯动作过程如下：钢筋穿过导向套，左端夹持在限可以直接更换对外接插件及散热器，
形成标准6U4TE 电源板，
满足小空间安装需求。
本设计预留DC24V 冗余输出电路，
如果有DC24V 出要求，可在不必重新制板的情况下，完成DC5V 1.折弯台2.导向套3.钢筋4.限位盘5.折弯偏心轮6.限位柱
7.固定套8.滑块9.弧形导轨10.限位开关11.变速器和电机
图1折弯机基本组成
324657
8
11
1
3165
2
9107。
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几种实用的低电压冗余电源方案设计
引言
对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统, 如基站通信设备、监控设备、服务器等, 往往需要高可靠的电源供应。
冗余电源设计是其中的关键部分, 在高可用系统中起着重要作用。
冗余电源一般配置2个以上电源。
当1个电源出现故障时, 其它电源能够马上投入, 不中断设备的正常运行。
这类似于UPS电源的工作原理: 当市电断电时由电池顶替供电。
冗余电源的区别主要是由不同的电源供电。
电源冗余有交流220 V及各种直流电压的应用, 本文主要介绍低压直流(如DC 5 V、 DC 12 V等)的冗余电源方案设计。
1 冗余电源介绍
电源冗余一般能够采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N+1备份、冗余热备份等方式。
容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载, 这对提高可靠性意义不大。
冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成, 正常时由其中一个供电, 当其故障时, 备份模块马上启动投入工作。
这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔, 容易造成电压豁口。
并联均流的N+1备份方式是指电源由多个相同单元组成, 各单元经过或门二极管并联在一起, 由各单元同时向设备供电。
这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电, 但负载端短路时容易波及所有单元。
冗余热备份是指电源由多个单元组成, 而且同时工作, 但只由其中一个向设备供电, 其它空载。
主电源故障时备份电源能够立即投入, 输出电压波动很小。
本文主要介绍后两种方案的设计。
2 传统冗余电源方案
传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源经过分别连接二极管阳极, 以”或门”的方式并联输出至电源总线上。
如图1所示。
能够让1个电源单独工作, 也能够让多个电源同时工作。
当其中1个电源出现故障时, 由于二极管
的单向导通特性, 不会影响电源总线的输出。
在实际的冗余电源系统中, 一般电流都比较大, 可达几十A。
考虑到二极管本身的功耗, 一般选用压降较低、电流较大的肖特基二极管, 比如
SR1620～SR1660(额定电流16 A)。
一般这些二极管上还需要安装散热片, 以利于散热。
3 传统方案与替代方案的比较
使用二极管的传统方案电路简单, 但有其固有的缺点: 功耗大、发热严重、需加装散热片、占用体积大。
由于电路中一般为大电流, 二极管大部分时间处于前向导通模式, 它的压降所引起的功耗不容忽视。
最小压降的肖特基二极管也有0．45 V, 在大电流时, 例如12 A, 就有5 W的功耗, 因此要特别处理散热问题。
现在新的冗余电源方案是采用大功率的MOSFET管来代替传统电路中的二极管。
MOSFET的导通内阻能够到几mΩ, 大大降低了压降损耗。
在大功率应用中, 不但实现了效率更高的解决方案, 而且由于无需散热器, 因此节省了大量的电路板面积, 也减少了设备的散热源。
应用电路中MOSFET需要有专业芯片的控制。
当前, TI、 Linear等各大公司都推出了一些成熟的该类芯片。
4 新方案中MOSFET的特殊应用
MOSFET在新的冗余电源方案中是关键器件。
由于与常规电路中的应用不同, 很多人对MOSFET的认识都存在一定误区。
为了方便后续电路的介绍, 下面对其特殊之处作以说明。
首先, MOSFET符号中的箭头并不代表实际电流流动方向。
在三极管应
用中, 电流方向与元件符号的箭头方向相同, 因此很多人以为MOSFET也是如此。
其实MOSFET与三极管不同, 它的箭头方向只是表示从P极板指向N极板, 与电流方向无关, 如图2所示。
其次, 应注意MOSFET中二极管的存在。
如图2所示, N沟道MOSFET中源极
S接二极管的阳极, P沟道MOS-FET中漏极D接二极管的阳极。
因此, 在大多数把MOSFET当作开关使用的电路中, 对于N沟道MOSFET, 电流是从漏极流向源极, 栅极G接高电压导通; 对于P沟道MOSFET, 电流是从源极流向漏极, 栅极G接
低电压导通, 否则由于二极管的存在, 栅极的控制就不能关断电流通路。
最后, 应注意MOSFET的电流流动方向是双向的, 不同于三极管的单向导通。
对于MOSFET的导电特性, 大多数资料、文献及器件的数据手册中只给出了单向导电特性曲线, 大多数应用也只是利用了它的单向导电特性; 而对于其双
向导电特性, 则鲜有文献介绍。
实际上, MOS-FET为电压控制器件, 经过栅极电压的大小改变感应电场生成的导电沟道的厚度, 从而控制漏极电流的大小。
以N 沟道MOSFET为例, 当栅极电压小于开启电压时, 无论源、漏极的极性如何, 内部背靠背的2个PN结中, 总有1个是反向偏置的, 形成耗尽层, MOSFET不导通。
当栅极电压大于开启电压时, 漏极和源极之间形成N型沟道, 而N型沟道只是相当于1个无极性的等效电阻, 且其电阻很小, 此时如果在漏、源极之间加正向电压, 电流就会从漏极流向源极, 这是一般采用的一种方式; 而如果在漏、源极之间加反向电压, 电流则会从源极流向漏极, 这种方式很少用到。
在冗余电源的应用电路中, MOSFET的连接方向与常规不同。
以N沟道管为例, 连接电路应如图3所示。
如果电源输入电压高于负载电源电压, 即
Vi>Vout, 电流由Vi流向Vout。
由于是冗余电源应用, 负载电源电压Vout可能会高于电源输入电压Vi, 这时由外部电路控制MOSFET栅极关断源、漏通路, 同时由于内部二极管的反向阻断作用, 使负载电源不能倒流回输入电源。
如果需要经过控制信号直接控制关断MOSFET通路, 上述的单管就无法实现, 因为关断MOSFET沟道之后, 内部的二极管还存在单向通路。
这时需要如图4所示的2个背靠背反向连接的MOSFET电路, 只有这样才能主动地关断电流通路。
5 几种实用冗余电源方案设计
本文主要讨论的是DC 5 V、 DC 12 V之类的低压冗余电源设计。
针对不同的功能、成本需求, 下面给出几个设计方案实例。
5．1 简单的冗余电源方案
使用Linear公司的LTC4416能够设计1个简单的2路电源冗余方案, 如图5所示。
图中用1个LTC4416芯片连接2个外置P沟道MOSFET控制2路电源输入, 是非常简单的方案。
它使用2个MOSFET代替2个二极管实现了”或”的作用, MOSFET的压降一般为20～30 mV, 因此功率损耗非常小, 不会产生太多热量。