CN100480941C

CN100480941C - 用于冗余功率系统的有源或运算控制器

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Publication number: CN100480941C
Application number: CNB2004800273677A
Authority: CN
Inventors: 范伟栋; G·斯托伊契奇; D·于姆
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2024-08-17
Also published as: CN1856754A

Abstract

本发明涉及一种或运算二极管，其用于功率冗余。为了减少由于二极管正向压降而引起的功率损耗，提出用有源或运算功率MOSFET(M1、M2)来代替二极管。利用有源或运算控制器(30)和功率MOSFET(M1、M2)，功率损耗容易降低90%。为了使N沟道MOSFET(M)当其处于反向时象二极管一样工作，并且当处于正向时具有很小的正向压降，提供了一种或运算控制器(30)。针对速度、稳定性和抗扰性来优化它的偏移、滞后和传输延迟时间。在或运算示范板中测试它的或运算功能。它的FET校验特征对或运算功率MOSFET(M1、M2)进行有效检查，以提高冗余功率系统的可靠性。

Description

用于冗余功率系统的有源或运算控制器

相关技术

[0003]传统上通过利用二极管(一般称为或运算二极管(ORing diode))将两个或多个电源组合到一条冗余总线中来实现功率系统冗余。或运算二极管有必要在被或运算的电源的其中之一出现短路的情况下保持存有共用的总线电压。

[0004]有几种二极管进行或运算的典型应用。一种是在-48V电信级(carrier-class)系统中的供给源A和供给源B进行或运算操作，如图1所示。两个输入源A和B通过两个二极管连接在一起，二极管连接到电源的负端。另一种是N+1个冗余AC-DC整流器的或运算，其产生48V或24V以提供给各种网络、电信、高端计算或存储设备。最后，高电流低压输出一般是一起被或运算，以对网络和计算处理器提供冗余的功率。

[0005]当输出功率为低时，二极管的或运算操作是提供快速有效的错误隔离的简单且低成本的解决方案。然而，现今市场上用作或运算二极管的最好的肖特基二极管一般会产生具有高输出功率的多余功耗，需要使用大的封装和/或散热片。例如，在提出的高级TCA规格中的每个系统板的功率级是200W。在该情况下由于二极管进行或运算引起的功耗可以是差不多3W，或者在最差情况的输入电压(40.5V)情况下为1.5％的效率损耗(对于标准的100V肖特基二极管)。具有二极管或运算的另一问题在于检测潜在的会导致功率冗余损耗的二极管短路故障并不简单。

发明内容

[0006]为了大大地减少或运算二极管的功率损耗，可以使用功率MOSFET代替二极管作为同步整流器。表1示出了当用于有源或运算操作中时，两个肖特基二极管和IRF7495功率MOSFET的功率损耗。MOSFET的正向电压降很可能是比最好的肖特基二极管幅度数量级低，功率损耗减少了90％。然而，为了在或运算电路中使用功率MOSFET，则需要控制器来驱动MOSFET以及确定何时导通和何时断开，使得当功率MOSFET处于反向时象二极管一样工作，且当它处于正向时具有非常小的正向电压降。

[0007]为了满足用于功率MOSFET的有源或运算控制器的上述要求，已提出一种新颖的集成或运算控制器(IR5001)。控制器另外还具有用于有源测试MOSFET条件的诊断功能。

[0008]根据本发明的一个方面，用于控制冗余功率系统中的功率MOSFET的有源或运算控制器包括比较器电路，其用于检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，并用于将该电压差与第一预定电平进行比较；以及

控制电路，其接收比较器电路的输出并且输出施加到功率MOSFET栅极端上的控制信号。控制信号具有一个值，使得功率MOSFET响应落在预定电平下的电压差而被断开，并且在其它时间导通。预定电平由分别具有正极性和负极性的两个阈值电压限定。优选地，负阈值电压的绝对值比正阈值电压小。有利地，控制电路以不相等的导通延迟和断开延迟时间使功率MOSFET导通和断开，导通延迟优选大于断开延迟。

[0009]根据本发明的另一方面，控制器还包括用于校验功率MOSFET条件的校验电路，校验电路可操作为用于设置控制信号以断开功率MOSFET；以及用于检测上述的电压差是否比第二预定电平低的感测电路，并且如果上述电压差比第二预定电平低，则表明所述的功率MOSFET有故障。感测电路有利地包括比较器、MOSFET和LED；并且比较器控制MOSFET以当电压差比第二预定电平低时熄灭LED，并在其它时间点亮LED。

[0010]根据本发明的又一方面，用于控制冗余功率系统中的功率MOSFET的集成有源或运算控制器，包括封装、位于封装内的电路以及伸出该封装的端子。控制器包括比较器电路，具有一对电压输入INN、INP，用于分别接收和检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，且将电压差与第一预定电平进行比较；以及控制电路，其接收比较器电路的输出并且在电压输出端子Vout处输出施加到所述功率MOSFET的栅极端的控制信号。控制信号具有一个值，使得功率MOSFET响应落在预定电平下的电压差而断开，且在其它时间导通。集成控制器可进一步包括校验电路，其可操作为用于接收在端子FETck上的校验信号，且与其响应，设置控制信号以断开功率MOSFET；以及感测电路，用于检测电压差是否比第二预定电平低，且如果电压差比第二预定电平低，则在状态端子FETst处表明功率MOSFET有故障。

[0011]参照附图，根据下面描述的本发明实施例，本发明的这些和其它特征以及优点将变得显而易见。

附图说明

[0012]图1是包括或运算二极管的传统冗余功率系统的方块图。

[0013]图2是用于或运算功率MOSFET的有源控制器/驱动器的分立实施的示意图。

[0014]图3示出了用于图2中比较器的偏移电压和滞后电压。

[0015]图4示出了图2的电路中反向电流与驱动器容量的关系曲线。

[0016]图5是集成有源或运算控制器的方块图。

[0017]图6示出了利用图5中控制器的冗余功率系统。

具体实施方式

有源或运算控制器的分立实施

[0018]可以通过使用比较器10和驱动器15来分立地实现主要的或运算控制功能，如图2所示。选择比较器和驱动器的参数用于有源或运算MOSFET M的稳定操作，并且使得其象二极管一样运行。

[0019]四个电阻R1-R4具有两个功能。一个是形成电平位移电路，使得用于比较器的两个输入电压在它的规格内。电阻变化小，使得它不会引入附加的偏移电压。例如，Vcc是12V且具有0.1％的精确度，必须考虑到的最差的情形是产生2.3mV的偏移。另一个功能是限制提供给具有R1和Z1的比较器的输入电流和电压。仅仅当输入源短路并且使负输入成为正48V时会出现上述情形。电阻Rbias设置偏置电平。

[0020]比较器滞后电压与它的偏移电压相比是足够高的，使得比较器具有不同极性的两个输入阈值电压，如图3所示。例如，一个是正的，另一个是负的。如果两个阈值电压都在负极侧，则当比较器的输入电压(V_in+-V_in-)低于零时MOSFET将导通，因此当存在通过MOSFET的一些反向电流时MOSFET可导通。由于MOSFET的R_DSon可以很小，所以反向电流可以很大，其是不允许的。同样，如果两个阈值电压都在正极侧，则当输入电压(V_in+-V_in-)为正时MOSFET断开，使得当MOSFET具有正电流时可断开。这将导致产生稳态振荡。这会发生，因为当MOSFET接通时，它的Vsd电压可以很小，使得它不能保持接通且将被断开。断开之后，它的Vsd电压将增加到约0.7V，其对于再一次导通MOSFET肯定是足够的。因此，两个阈值电压具有不同的极性以防止有源或运算电路具有稳态振荡。

[0021]负阈值电压由于反向电流而必须是小的。MOSFET允许穿过的反向电流等于负阈值电压除以MOSFET的Rdson。为了使MOSFET当处于反向时象二极管一样运行，负阈值电压必须是小值。通常，其小于10mV。

[0022]为了快速地断开MOSFET，总的断开传输延迟和断开时间必须是小值。当存在一个输入源短路时，其产生某一反向电流以触发MOSFET断开，需要一段断开延迟时间来发送逻辑信号以断开MOSFET。在延迟期间，MOSFET保持导通且反向电流保持增加，而总电压保持下降。图4示出了反向电流如何依赖于驱动器的容量。当驱动器的容量大于3A时，反向电流不会改变很多。在9A驱动器和7ns比较器的情况下，在MOSFET短路和断开之间仅使用了55ns。反向电流是6A，总线电压的变化小于3V。然而，如果时间从55ns增加到700ns，则104A反向电流可看出有6V的总线电压降。因此，断开传输延迟和断开时间必须是小值，以保证小的反向电流和小的总线电压降。

[0023]有源或运算操作MOSFET快速导通和断开可能会使电路动态不稳定。有源或运算电路正好在开关DC-DC转换器的前面。开关噪声将被拾取和出现在比较器的输入处。如果开关噪声的幅度高于比较器的滞后电压，且比较器和驱动器快，则有源或运算操作MOSFET将被开关噪声所导通和断开，而导致有源或运算电路的振荡。为了调整这种情形，期望导通有源或运算操作的延迟是长的。换句话说，导通和断开延迟很不对称。由于驱动器在导通和断开方面一般具有相似的驱动器容量，所以可以在驱动器和或运算操作MOSFET的栅极之间添加一个或多个附加的二极管(如图2虚线所示)以获得所需要的不对称驱动时间。

[0024]用于前述分立的有源或运算电路、关于偏移电压、滞后、导通和断开传输延迟时间、导通和断开时间的需求，使比较器和驱动器的选择非常受限。

[0025]而且，为了检测有源或运算操作MOSFET的短路，必须添加另一附加的电路(图2中未示出)。附加电路必须断开有源或运算操作MOSFET，且测量漏-源电压的变化。如果当MOSFET处于断开时MOSFET的漏-源电压很小，且如果存在有一些电流通过，则可以确定MOSFET是坏的。该电路的实施需要至少一个以上的比较器和其它的逻辑栅极。

有源或运算控制器IC(IR 5001)

[0026]因此，为了满足使用MOSFET的有源或运算控制器的上述需求，已开发了一种新颖的集成或运算控制器(IR 5001)。

[0027]控制器30(图5)装入小的SO8封装中且仅需要用于正确操作的小偏置电容器(图6)。它的偏移电压和滞后电压、传输延迟以及栅极驱动器容量需要快速的故障保护并消除振荡的任何可能性。结合FET校验功能以提供用于有源或运算操作MOSFET的有效检查(livecheckup)，使得在设备的使用期限中保持系统冗余。这是重要且唯一的特征，其在现今的系统中始终没有获得。

[0028]图5示出了有源控制器(IR 5001)的功能方块图。控制器30的主要功能是，通过比较器50A和一对或运算栅极52、54，当跨越电压输入INP、INN(V_in+-V_in-)两端的电压低于几-mV时，在端子OUT处将输出设置为低，且当输入电压(V_in+-V_in-)超过几+mV时，将输出电压设置为高。

[0029]控制器具有足够的滞后电压以抵抗稳态振荡。例如，两个阈值电压可以是23mV和-5mV，其表示28mV的滞后电压。当输入电压(V_in+-V_in-)超过23mV时，控制器将输出设置为高。该高输出信号用于导通相应的功率MOSFET M1或MOSFET M2(图6)。在功率MOSFET导通后，输入电压(V_in+-V_in-)减小。然而，输入电压(V_in+-V_in-)的极性不会改变为负，或小于零。因此，在控制器将输出设置为从低到高之后，它不会将输出设置为从高到低，这样会防止稳态振荡。

[0030]不对称传输延迟时间设计使控制器免受应用电路中的噪声影响。用于驱动输出从高到低的传输延迟时间很短。典型的延迟时间是50ns，具有10nF作为负载。另一方面，用于驱动输出从低到高的传输延迟时间很长。该典型的延迟时间是3ms，其约为将输出设置为从高到低的延迟的六万倍。因此，将输出设置为从低到高比将输出设置为从高到低需要使用更长的时间，其提高了控制器的抗扰性。例如，在输入(V_in+-V_in-)处，假设存在从-50mV到+50mV具有50％占空比以及小于1ms脉冲宽度的脉冲信号。输出电压一直是逻辑低，因为对于将逻辑信号从输入提供到输出以用于驱动输出从低到高，1ms的时间不足够长，而1ms的时间足够长以提供逻辑信号来驱动输出从高到低。因此，如果在有源或运算控制器的输入出现具有小于1ms脉冲宽度的任何噪声，则该有源或运算控制器将保持它的输出为低而没有任何的振荡，其提高了控制器的动态抗扰性。

[0031]或运算控制器具有一个FET校验(FET_ck)管脚，以当FET_ck管脚电压处于逻辑高时将输出OUT设置为低。该特征进行功率MOSFET状态的有效校验。

[0032]FET状态(FET_st)管脚用于显示出功率MOSFET的状态(未示出)。无论何时输入电压(V_in+-V_in-)小于-0.3V，MOSFET 40都会由比较器50B控制，使得FET_st管脚具有逻辑低信号，并且熄灭相应的LED D1或LEDD2。

或运算控制器示范板

[0033]图6是示范板的示意图。在该电路中使用的两个100V N沟道(IRF7495)功率MOSFET M1、MOSFET M2能够在36V至75V的范围内处理等于200W的冗余功率。四个3.3μF、80V铝电容器C1-C4连接在冗余总线上。功率负载可以是电负载或电阻器。标准的1/4程序块、1/8程序块或IR2085 DC总线转换器示范板同样可以用作负载(在示范板上提供了管脚相容的通孔可软焊连接)。两个LED D1、LEDD2被用于显示两个相应功率MOSFET M1、M2的状态。在示范板上，有一个正常断开的开关S1。当开关闭合时，逻辑高信号施加到两个FET_ck管脚上以断开两个功率MOSFET M1、M2。根据LED的接通或断开状态，确定了功率MOSFET的状态。

有效的FET校验功能

[0034]理解FET校验功能的一种简单方式是假设只有一个电源。如果功率MOSFET是好的且传导电流，则当它接通时，它的Vds电压降很小，且它的LED断开；以及当它断开时，它的Vds电压降约为0.7V，且它的LED接通。因此，LED是否接通还是断开的信息表示功率MOSFET的状态。

[0035]在实际的系统中，实际上不可能断开两个源的其中之一。如果不能改变每个源的电压，则不容易确定功率MOSFET是否工作。通常，能够确定FET的其中之一是否正常工作。那个MOSFET必须连接到较高的电压源。原因是如果它通常运转正常，当它断开时，FET在Vds上具有高于300mV的压降，其在有效检查期间将它的LED接通。对于连接到具有相对低电压的电源的FET，不能直接地确定FET是否是好的。原因跨越FET两端的Vds由TFT和两个源电压确定。当FET短路时，它的Vds一直小于300mV，其断开它的LED。当FET没有短路时，跨越FET两端的Vds是基于两个源之间的差。通常，如表2所示的真值表能被应用于确定基于源A和B的各种可能状态的单个FET的状态。注意的是，该表不仅可以确定FET是否短路，而且可以确定它是否是开路的。

结论

[0036]有源或运算控制器使N沟道功率MOSFET当它处于反向时象二极管一样工作。当N沟道MOSFET处于正向时使它导通，其中它的Vds压降至少比肖特基二极管小十倍。它的低Vds压降显著地降低了功率损耗。它的偏移和滞后设计防止其稳态振荡。两个不同的传输延迟提高了它的动态抗扰性。可以利用FET校验功能来提供功率MOSFET状态的有效检查，以提高系统功率冗余的可靠性。

[0037]尽管已对其中的具体实施例描述了本发明，但许多其它的变化和修改以及其它的使用对于本领域技术人员都将变得显而易见。因此，本发明不被其中的具体公开内容所限制。

表1

表1.或运算器件的功率损耗估计

表2

表2.用于IR5001“FET校验特征”的真值表

注意：VA、VB是两个源，其分别与FET A和FET B连接。LED A和LED B是相应于FET A和FET B的LED。

Claims

1.一种包括有源或运算控制器和功率MOSFET的冗余功率系统，该冗余功率系统包含功率输入端子和为负载提供电流的功率输出端子，该功率MOSFET基本传送全部电流，所述控制器包括：

比较器电路，用于检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，且将所述的电压差与第一预定电平进行比较；以及

控制电路，其接收所述比较器电路的输出，并且输出施加到所述功率MOSFET的栅极端的控制信号；

所述控制信号具有一个值，使得响应落在所述预定电平以下的所述电压差而断开所述功率MOSFET，且在其它时间导通所述功率MOSFET。

2.如权利要求1所述的冗余功率系统，其中所述预定电平由分别具有正极性和负极性的两个阈值电压所限定。

3.如权利要求2所述的冗余功率系统，其中所述负阈值电压的绝对值比所述的正阈值电压小。

4.一种用于控制冗余功率系统中功率MOSFET的有源或运算控制器，所述控制器包括：

控制电路，其接收所述比较器电路的输出，并且输出施加到所述功率MOSFET的栅极端的控制信号，所述控制信号具有一个值，使得响应落在所述预定电平以下的所述电压差而断开所述功率MOSFET，且在其它时间导通所述功率MOSFET；

其中所述控制电路以不相等的导通延迟和断开延迟使所述的功率MOSFET导通和断开。

5.如权利要求4所述的控制器，其中所述导通延迟大于所述断开延迟。

6.如权利要求5所述的控制器，其中所述控制电路包括载有所述用于增加所述导通延迟的控制信号的一个或多个二极管。

7.一种用于控制冗余功率系统中功率MOSFET的有源或运算控制器，所述控制器包括：

比较器电路，用于检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，且将所述的电压差与第一预定电平进行比较；

校验电路，其可操作为设置所述的控制信号以断开所述功率MOSFET；以及

感测电路，用于检测所述电压差是否比第二预定电平低，且如果所述电压差比第二预定电平低，则表明所述的功率MOSFET有故障。

8.如权利要求7所述的控制器，其中所述感测电路包括比较器、MOSFET和LED；以及所述比较器控制所述的MOSFET，以当所述电压差比所述第二预定电平低时熄灭所述LED，且在其它时间点亮所述的LED。

9.如权利要求7所述的控制器，其进一步包括：

线电压输入端子；

内调整器，连接到所述线电压并且将调整的输出电压提供给内总线，所述内总线连接到内总线端子；以及

地端子。

10.如权利要求9所述的控制器，其进一步包括连接在所述内总线端子和所述地端子之间的电容器。

11.一种包括集成有源或运算控制器和功率MOSFET的冗余功率系统，该冗余功率系统包含功率输入端子和为负载提供电流的功率输出端子，该功率MOSFET基本传送全部电流，所述控制器包括封装、封装内的电路和伸出封装的端子，所述控制器包括：

比较器电路，具有一对电压输入，用于分别接收和检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，以及将所述电压差与第一预定电平进行比较；以及

控制电路，其接收所述比较器电路的输出，并且在电压输出端子处输出施加到所述功率MOSFET栅极端的控制信号；

所述控制信号具有一个值，使得响应落在所述预定电平以下的所述电压差而断开所述功率MOSFET，以及在其它时间导通所述功率MOSFET。

12.如权利要求11所述的冗余功率系统，其中所述预定电平由分别具有正极性和负极性的两个阈值电压限定。

13.如权利要求12所述的冗余功率系统，其中所述负极性阈值电压的绝对值小于正极性阈值电压。

14.如权利要求11所述的冗余功率系统，其中所述控制电路以不相等的导通延迟和断开延迟使所述的功率MOSFET导通和断开。

15.如权利要求14所述的冗余功率系统，其中所述导通延迟大于所述断开延迟。

16.如权利要求15所述的冗余功率系统，其中所述控制电路包括载有所述用于增加所述导通延迟的控制信号的一个或多个二极管。

17.一种用于控制冗余功率系统中的功率MOSFET的集成有源或运算控制器，所述控制器包括封装、封装内的电路和伸出封装的端子，所述集成控制器包括：

比较器电路，具有一对电压输入，用于分别接收和检测跨越功率MOSFET的第一主端子和第二主端子两端的电压差，以及将所述电压差与第一预定电平进行比较；

控制电路，其接收所述比较器电路的输出，并且在电压输出端子处输出施加到所述功率MOSFET栅极端的控制信号，所述控制信号具有一个值，使得响应落在所述预定电平以下的所述电压差而断开所述功率MOSFET，以及在其它时间导通所述功率MOSFET；

校验电路，其可操作为接收在校验端子上的校验信号，且与其响应，设置所述控制信号来断开所述功率MOSFET；以及

感测电路，用于检测所述电压差是否比第二预定电平低，如果所述的电压差比第二预定电平低，则表明所述的功率MOSFET有故障。

18.如权利要求17所述的集成控制器，所述感测电路包括比较器、MOSFET和LED；并且所述比较器控制所述的MOSFET，以当所述电压差比所述第二预定电平低时熄灭所述LED，且在其它时间点亮所述的LED。

19.如权利要求18所述的集成控制器，其进一步包括：

线电压输入端子；

地端子。

20.如权利要求19所述的集成控制器，其进一步包括连接在所述内总线端子和所述地端子之间的电容器。