Работа нескольких источников питания на общую нагрузку

Для некоторых проектов требуется больше мощности, чем может отдать один источник питания, и в такой ситуации для балансировки нагрузки можно использовать перенаправляющие диоды Шоттки (Рисунок 1). Чтобы реализовать простое распределение нагрузки, в этой схеме объединены выходные токи. Обратите внимание, что это отличается от резервирования питания; здесь другой случай, когда требуемая системе мощность не может быть обеспечена одним источником питания. Эта схема достаточно проста и будет работать в идеальных условиях, когда VPS2 = VPS1. То, что происходит в реальности, гораздо интереснее и делает такой подход несостоятельным.

Рисунок 1.	Два источника питания с одинаковыми напряжениями работают на общую нагрузку в режиме разделения токов.

Чтобы оценить схему, можно проанализировать ее поведение при различных нагрузках и отклонениях напряжения источника питания, используя формулу для расчета прямого падения напряжения на диоде Шоттки при различных токах.

Сложность заключается в том, что эта формула является лишь хорошим приближением, и для того, чтобы получить вольтамперную характеристику аналогичную графикам, приводимым в документации производителей диодов, нужно использовать соответствующее n. (В данном случае n было выбрано равным 10). Анализ оказался немного сложнее, чем ожидалось, поскольку пришлось рассматривать два разных источника питания и вычислять токи итеративно. Чтобы решить эту проблему, для вычисления токов и напряжений схемы использовались несколько итераций, выполненных с помощью написанной на Си программы (доступна в разделе Загрузки).

Результаты оказались неутешительными, поскольку они показывали, что при отклонении напряжения на ±1% 90% мощности забирается из одного источника питания. Одним словом, эта схема не является хорошим решением для источников питания с разницей более чем в несколько десятков милливольт. Проблема в том, что не все стандартные блоки питания имеют регулировку выходного напряжения, особенно герметичные. Для ее решения была разработана схема распределения нагрузки, использующая доступные компоненты и способная работать с любыми блоками питания (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Мониторы тока положительной шины измеряют токи обоих источников питания, а перекрестно управляемые транзисторы Q1 и Q2 выравнивают токи, отдаваемые каждым источником.

Таблица 1.	Только с диодами (Рисунок 1)
Тест PS1 PS2 Ток нагрузки (А) Напряжение нагрузки (В) Мощность (Вт) Общие потери (Вт) Входное напряжение (В) 1 20.5 20.3 1.0 20.1 20.1 3.1 2 20.4 20.3 2.5 20.0 50.0 4.0 3♣ 20.4 20.3 5.0 19.9 99.3 4.7 Входной ток (А) 1 1.1 0.1         2 2.4 0.3         3 3.9 1.2         Входная мощность (Вт) 1 22.1 1.1         2 48.2 5.8         3 79.6 24.3         Нагрузка (%) 1 95.0 4.9         2 89.3 10.6         3 76.5 23.4

Клеммы J1 и J2 подключаются к входам источников питания, а нагрузка подключается к VIN. Как видно из схемы, в дополнение к первоначальным перенаправляющим диодам теперь появились MOSFET Q1 и Q2, шунтирующие эти диоды для управления распределением нагрузки. MOSFET управляются операционными усилителями U3B и U3A, включенными так, чтобы каждый из них сравнивал ток собственного источника питания с током другого. Схема не предъявляет каких-либо строгих требований к компонентам, но R1, R11, R2 и R12 должны иметь допуски 1%. Сигналы на операционные усилители подаются через простые RC-фильтры нижних частот, чтобы сгладить любые скачки напряжения. Для измерения тока на выходе каждого источника питания используются токоизмерительные усилители U1 и U2, а для выравнивания токов используется комбинация из RC-фильтра, операционного усилителя и MOSFET. Работоспособность этого решения было доказана при входном напряжении 12–19 В (обычные блоки питания ноутбуков) и токе нагрузки 10 А. Эффективность распределения нагрузки достаточно высока, чтобы каскадировать эти схемы для объединения четырех источников питания. Результаты испытаний схемы приведены в Таблицах 1 и 2.

Таблица 2.

С распределением нагрузки (Рисунок 2)

Тест PS1 PS2 Ток нагрузки (А) Напряжение нагрузки (В) Мощность (Вт) Общие потери (Вт) Входное напряжение (В) 1 20.5 20.3 1.0 20.2 20.2 3.2 2 20.5 20.3 2.5 20.1 50.2 3.1 3 20.4 20.2 5.0 20.0 100.2 7.5 Входной ток (А) 1 0.6 0.6         2 1.3 1.3         3 2.6 2.7         Входная мощность (Вт) 1 11.6 11.8         2 26.2 27.1         3 53.3 54.3         Нагрузка (%) 1 49.7 50.2         2 49.1 50.8         3 49.5 50.4

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments INA139
2. Datasheet ON Semiconductor LM2904
3. Datasheet Fairchild FDD6637
4. Datasheet Diodes SBG3030CT

Загрузки

1. Расчет токов и напряжений для схемы