一种全国产化方案冷或门电路设计与实现*

张 波，周 新

(成都天奥电子股份有限公司，成都 610036)

0 引 言

机载设备对供电电源工作可靠性有着极高的要求，在供电电源出现波动、闪变或其他极端情况时，要求电源能保证供电电压的稳定[1]，因此冗余电源[2]供电成为提高机载电源系统容量及长期工作可靠性的一种有效手段。冗余电源供电通常采用两路或多路电源并联为负载供电，当其中某个电源出现故障停止时，其他电源会继续工作，并分担输出该路故障电源功率。为实现多路电源之间的故障隔离，每路电源输出端通常采用二极管或冷或门电路进行隔离。本文在分析传统电源冗余供电故障隔离方式的优缺点基础上，针对机载电源冗余供电输出故障隔离需求，提出了一种全国产化冷或门的实现方案，并通过软件仿真和实物测试验证了该方案的可行性。

1 二极管或门电路

二极管具有单向导通的特性，通常在小功率冗余电源中使用。选用肖特基二极管，因为该类型二极管相较于普通二极管管正向导通压降更低，同时具有负温度特性，随着温度升高，正向导通压降降低，有利于降低导通损耗。二极管或门电路应用原理如图1所示。

图1 二极管或门电路

根据图1，多路DC/DC变换器输出端通过肖特基二极管以“或”的方式并联为机载设备供电，当其中一路DC/DC变换器出现故障时，不会影响后级机载设备正常工作，同时二极管还起到了故障隔离的作用。

二极管或门电路结构简单，工作可靠性高，易于实现国产化替代，但是由于二极管正向导通压降的存在，在大电流情况下损耗大，发热量高，降低了电源系统整体转换效率，不利于机载电源这种低压、大电流的应用场景使用。

2 场效应管或门电路

为解决传统二极管或门冗余电路存在的问题，美国Vicor、Intersil[3]及AD等公司均推出了冷或门(Cool-oring)电路[4]。该类型电路基于“或”方式场效应管控制器来驱动场效应管代替传统电路中的二极管电路，利用场效应管导通阻抗低的优点(通常导通阻抗为毫欧级)，能够极大地降低大电流情况下的导通损耗，提高电源模块转换效率。其等效电路如图2所示。

图2 代替二极管或门电路

以AD公司为例，该公司先后推出了多种“或”方式场效应管控制器，如LTC4352、LTC4359[5]、LTC4357[6]等型号，分别适用与不同输入电压范围和功率等级。LTC4357典型应用电路如图3所示。

图3 LTC4357典型应用电路

图3中，LTC4357控制外部N沟道场效应管代替传统二级管功能，与传统二极管或门电路相比，提供了一个较低损耗的通路，在大功率应用场合中提高了系统转换效率，且发热量低，无需散热器，节省了电路板空间，同时控制芯片内部还集成了反向电流检测关断电路及场效应管快速关断电路，从而避免输入供电电源故障情况下反向电流对电路的影响。

采用场效应管冷或门电路，控制电路集成度高，保护功能完善，同时利用场效应管导通阻抗小的特点，极大地减少了冷或门电路的功率损耗，降低了发热量，提高了电源系统转换效率，缺点在于目前该类型芯片均为国外芯片公司生产，国产芯片还处于研发阶段，尚未通过大批量工程应用验证，成为机载电源冗余供电全国化设计方案亟待解决的技术瓶颈之一。

3 国产化冷或门电路

基于机载设备冗余电源供电对国产化冷或门电路的使用需求，本文提出了一种基于P沟道场效应管的全国产化冷或门电路设计方案。

3.1 双路输入冷或门电路原理框图

图4为双路输入冷或门电路构成原理框图，可以看到冷或门电路由理想二极管电路、快速关断电路和电压监测/控制电路构成。

图4 双输入冷或门工作原理框图

输入电源A、B经过P沟道场管构成的理想二极管电路后并联在一起为后级用电设备供电，电压监测/控制电路监测A、B两路供电电源输入电压和输出电压，当其中一路供电电源发生故障时，电压监测/控制电路动作，并通过控制快速关断电路将故障回路的场效应管快速关断，将故障支路隔离。

3.2 场效应管快速关断电路

由图4可知，极端情况下，如输入电源A出现短路失效故障，输出端母线电压可通过场效应管V1 和输入电源A形成放电回路，场效应管V1由饱和导通转为截至状态需要一定转换时间，因此，需要场管V1进行快速关断，以避免在此期间放电回路形成较大的反向电流，损坏回路器件。P沟道场管快速关断电路如图5所示。

图5 P沟道场管快速关断电路工作原理图(开机)

由图5可以看到，上电后，三级管V3基极施加高电平导通，输入电源Vin一方面通过电阻R1、R2、三极管V3回路导通，通过电阻R1、R2分压得到场管V1工作所需驱动电压，场管V1导通；另一方面，输入电源Vin经过电阻R1、二极管D2、电阻R3、电容C2、三极管V3回路为电容器C2充电储能，电容C2两端最终电压约为电阻R2两端电压减去二极管D2管压降，C2充电完成后该回路断开。

图6为场管快速关断电路在关机过程工作原理图。关机过程中，三极管V3基极施加低电平关断，电容器C2通过电阻R3、三极管V2、电阻R2形成放电回路，三极管V2导通，将场效应管Vgs电压快速拉低，从而达到快速关断的目的。

图6 P沟道场管快速关断电路工作原理图(关机)

3.3 双输入冷或门电路

双路输入冷或门电路原理图如图7所示，其中理想二极管电路由P沟道场效应管V1、V2构成，控制电路由比较器U1、U2及外围电路构成，场效应管关断电路采用图6所示快速关断电路。

图7 双路输入冷或门电路原理图

正常工作时，场管V1寄生二极管D1先导通，比较器U1负端输入电压为UA，正端输入电压为UB，UA电压比UB电压高出二极管D1管压降，因此比较器输出为负，VINA通过二极管D1、稳压管D3、电阻R4、比较器U1、稳压管D4形成回路，场管Vgs电压由稳压管D3稳定在-10 V,场管V1导通，回路电流由通过V1流向负载；同理，VINB供电单元场管V3正常工作后，回路电流通过V3流向负载。

机载电源实际使用中，双路输入电源VINA和VINB为前级DC/DC变换器输出端电压，已经过二次稳压，电压稳定度高，主要失效模块为开路和短路两种情况。下面针对两种故障失效模式，分别对冷或门工作过程进行详细说明。

如图8所示，若双路输入冷或门输入电源VINA出现开路故障，输出母线电压通过电阻R7、二极管D5、电阻R1，R2形成回路，比较器U1输入正端与负端之间被二极管D5钳位在0.3 V左右，此时，比较器输出为高阻状态，场管快速关断电路开始工作，电容C2通过电阻R5、三极管V2、电阻R4形成放电回路，快速将场管驱动电压拉低，实现场管V1的快速关断。

图8 输入电源VINA开路

图9为双路输入冷或门输入电源VINA出现短路的情况，此时，输入电源VINA拉低到零，输出电压通过电阻R7、二极管D5、电阻R1和输入电源地形成回路，比较器U1输入正端与负端之间被二极管D5钳位在0.3 V左右，比较器输出为高阻态，场管快速关断电路开始工作，电容C2通过电阻R5、三极管V2、电阻R4形成放电回路，快速将场管驱动电压拉低，关断场管V1。

图9 输入电源VINA短路

3.4 仿真波形验证

为验证双路输入冷或门电路设计的有效性，按机载电源供电环境，采用电路仿真软件对该电路方案进行验证，主要仿真参数：输入电压28 V DC；输出电流20 A；输入电压短时短路时间100 ms。模拟VINA电源输入短路情况下，双路输入冷或门工作状态，仿真波形如图10和图11所示。

图10 VINA输入电流仿真波形(无快速关断电路)

图11 VINA输入电流仿真波形局部图(无快速关断电路)

从图10和图11的仿真波形可以看到，双路输入冷或门电路，当负载电流为20 A时，单路承担电流10 A，在一路输入供电电源发生短路时，由于场管GS端结电容放电需要一定的时间，导致场管不能快速关断，因此形成约6 A的反向电流。

图12和图13为使用场管快速关断电路后输入电流仿真波形，可以看到场管快速关断电路能够极大地加快场管的关断时间，降低了输入电源短路期间反向电流的幅度。从仿真结果来看，输入反向电流由6 A降低至0.5 A。

图12 VINA输入电流仿真波形(使用快速关断电路)

图13 VINA输入电流仿真波形局部图(使用快速关断电路)

图14为一路输入电源发生短路时，输入与输出电压仿真波形。由仿真结果可以看到，当其中一路28 V输入发生短路时，冷或门电路自动完成输入供电电源的切换，从而保证输出电压的稳定。

图14 输入与输出电压仿真波形

4 实验结果

为进一步验证冷或门电路设计的有效性，按照图7所示电路结构制作了两个冷或门电路样件。相较于进口冷或门电路，由于采用了P沟道场效应管，虽简化了控制电路，但其导通阻抗要比N沟道场效应管更大，实际使用过程中采用两只P沟道场管并联工作以降低导通损耗。样件实物图如图15所示。

图15 冷或门电路实物图

冷或门电路最大输入电压为60 V DC，额定工作电流20 A，所有元器件均选用国产器件，主要元器件型号及厂家见表1。

表1 主要元器件表

图16和图17为试验测试波形，VINA为A路输入电压波形，VINB为B路输入电压波形，IINB为B路输入电流波形。由图16(a)可以看到，当A路供电电源关断时，B路供电电源承担全部输出功率，输入电流IINB由约9 A增加至20 A。由图16(b)为可以看到，B路供电消失后，输入端电流由约9 A降至零，负载功率由A路供电电源承担。由图17可看到，当A路供电电源关断时，输出功率由B路供电电源提供，双输入冷或门电路自动切换，输出电压VOUT保持稳定。

(a)A路关断

(b)B路关断

图17 VINA、VINB和输出电压VOUT波形

5 结 论

本文提出了一种基于全国产化器件的冷或门电路设计方案，外围元器件少，控制电路简单易实现，能够有效应用于机载电源冗余供电电路设计中，在起到故障隔离的同时降低通路损耗，提高电源系统转换效率。该电路所使用的阻容、集成电路芯片及半导体器件均选用国内主流厂家货架产品，可实现全国产化方案设计，产品生产周期和可靠性能有效控制。仿真及样件测试结果验证了本设计方案的有效性。