主动“ORing”方案包括一个功率MOSFET和一个集成电路控制器。MOSFET的导通电阻RDS(on)会在其内部产生功率损耗(通过器件的电流的平方与电阻的乘积)。
如果在肖特基二极管“ORing”方案中实现相等电流,该方案中的损耗将降低为原来的十分之一。这就说明,一个主动“ORing”方案可以比标准“ORing”二极管方案更小,由于它非常低的功率消耗,就充分降低了对散热系统的依赖。
然而,主动“ORing”方案确实是一个折中的方案。当MOSFET打开的时候,电流的方向不受限制。正是由于这个特点,主动“ORing”方案可以非常准确和非常快速地检测出由于反向电流而产生的故障。一旦检测到故障,控制器就需要尽可能快地关闭MOSFET,并依次从冗余总线上隔离输入故障,阻止反向电流的进一步增加。
合适的方案
当着手选择合适的“ORing”方案时,关键的问题是理解特殊应用的基本边界条件,然后选择哪种类型的“ORing”方案就非常清楚了。但这并非毫无遗漏,还存在一些典型的边界条件,这些边界条件如下所示:
● 系统所处的环境温度上升到最高温度,功率方案必须保持可靠工作。
● 系统位于特定不可动建筑物中时。
● 可获得的散热手段(风扇、散热片、PCB 面积等)。
● 最坏故障条件(“ORing”方案的响应时间和速度非常关键)。
在特殊应用环境中分析典型二极管“ORing”方案与典型主动“ORing”方案的异同是非常有价值的。下面的分析示例是在环境温度为70℃,负载电流为20A情况下的分析过程。
典型二极管功率消耗(PD(diode)):VF×IF=~0.45V×20A=9W。
主动“ORing”方案的功率消耗(PDFET):ID2×RDS(on)=(20A)2×1.5mΩ=0.6W。
此处1.5mΩ是Picor公司PI2121 Cool-ORing器件的典型RDS(on)。
如果器件工作的最大结点温度保持在125℃,则需要的散热条件为
TJ=Tamb+(PD×Rthj-a)
式中:
TJ=器件结点温度。
Tamb=系统环境温度。
PD=器件功率消耗。
Rthj-a=热阻(结点-环境)。
Rthj-a需要维持二极管的125℃结点温度大约是6℃/W。
Rthj-a需要维持MOSFET的125℃结点温度大约是92℃/W。
Rthj-a数值越高,散热的费用与总体拥有成本之间的依赖关系就越低,这就使“ORing”方案非常吸引人。主动“ORing”方案的好处表明,这是提供最小解决方案的最好办法,如果不可动建筑的价值非常高。高密度单封装系统(SiP:System-in-a-Package)产品是解决高密度问题的最好途径,它所提供的IC-FET优化可以增加电子性能的改进。使用工业标准封装的分立解决方案具有先天的局限性,如器件尺寸、器件之间的PCB空间,以及隐藏在整体密度和电子性能后面的寄生偏移。
必须精确确定MOSFET两端的电压和极性,这代表流过整个器件的电流。在故障事件被触发之前,反向门限将决定通过MOSFET的反向电流总和,而且控制器的栅极驱动特征将决定MOSFET的关断时间,并因此产生了通过MOSFET的反向峰值电流。门限越低、栅极驱动越高,则将确保更早地检测并降低总体反向峰值电流,并且最终降低任何冗余总线电压降落的可能。
主动“ORing”方案
Picor公司有一个主动“ORing”方案(Cool-ORing系列),包括一个高速“ORing” MOSFET控制器和一个具有低导通电阻的MOSFET,采用高密度强化散热的LGA(Land-Grid-Array)封装。这个方案可以达到低至1.5mΩ的典型导通电阻,可以在整个比较宽的温度范围内工作,并能够提供高达24A的持续负载电流。
LGA封装是非常小的5mm×7mm封装形式,它提供了强化散热,并能够用于低压、高边(如图1所示)主动“ORing”应用中。Cool-ORing方案与常规主动“ORing”方案相比提供了超过50%的空间节省。
图1 PI2121典型应用:高边主动“ORing”技术