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Back to top透過轉換器備援提升系統可靠度
隨著市場應用越來越多元，高電源敏感度的系統要求更穩定的電源供應，如工業用伺服器，醫療相關應用。當電源轉換器故障時，備援電源可以為負載設備提供緊急電力，將系統失效的風險降低，增加可靠度。本文將介紹備援系統的設計注意事項及不同架構的優缺點。.
1. 緒論
備援系統也能夠稱為冗餘系統，為了提升系統可靠度，刻意設置重複的系統，功能是當主要轉換器故障無輸出，備援轉換器可以快速取代。兩個轉換器是互相獨立的系統，要同時失效的機率相當低，因此設置備援系統能避免轉換器失效。此功能可使用電源多工電路實現，接著介紹電源多工電路的拓撲架構和設計注意事項。
2. 電源多工
如圖1，電源多工為一組電子開關，能在兩組或以上的輸入電源切換，提供給同一輸出，並防止兩電源之間的逆向電流。
2.1設計注意事項
電源多工的理想特性是當電流流經開關時，可以不消耗功率送到負載端而且理想切換時間接近於零。本文的電源多工是為了實現備援系統的功能，避免讓備援轉換器與主要轉換器同時工作也是重要的目標，才能降低同時故障的機率，達到提升可靠度的目標。電源多工外接電路的元件數量越少越好，系統故障的機率也會相對跟著降低。其他重要設計目標如下。
- 輸出電壓降
電源多工是利用電子開關來選擇輸入源，電流流經電子開關產生的電壓降，即是輸出電壓降。各種開關元件特性差異會讓輸出電壓降的值亦有所不同。
- 使用二極體作為開關，優點為切換速度非常快且不需要太多額外元件，但是有大約0.7V的順向偏壓。
- 使用MOSFET作為開關，優點為非常低的順向偏壓，較不損失功率，但是需要額外的控制電路。
- 切換速度
切換速度指的是主電源切換到備援電源的時間，時間越長，表示負載轉換到備援轉換器的時間越晚，而輸出電壓降會越大。為了不在切換過程中，瞬間電壓過低使主系統失效，因此設計上須特別考慮。
圖2表示了主要電源切換到備援電源的過程中，由於備援轉換器還未啟動，所以負載端開始產生電壓降，切換間越長，產生的電壓降越大。讓兩轉換器同時工作可以
到最快的切換速度。但備援系統和主要系統同時工作，無疑提高了備援系統和主要系統同時失效的機率。
3. 電源多工架構圖
電源多工的架構選擇，主要依據為應用的不同。作為備援系統須注意切換時間和額外元件數量，再依照系統功率選擇。
3.1 ORing 二極體
最容易實現的備援方式，切換速度最快，額外零件少，但缺點為二極體的順向偏壓會在導通時持續產生功率損耗，造成溫度上升，因此只適用於小功率應用，而大功率應用需解決電壓降產生的熱量累積問題。
3.2 遠端控制功能
利用遠端開關功能，將主要轉換器的輸出接到備援轉換器的控制接腳上，主要轉換器正常工作時，備援轉換器將進入待機模式，完全靠主要轉換器進行輸出。反之，主要轉換器無輸出時，備援轉換器將啟動。此方法的優點為備援轉換器在正常工作下不消耗任何功率，而且假設光耦合器失效，系統仍為二極體架構，不會影響對負載供電。缺點為因轉換器的遠端功能規格限制，切換時間為所有方法最慢。
3.3 單一 MOSFET 開關
使用了光耦合器隔離及一個N型MOSFET作為開關元件。在備援轉換器輸出端增加電容，避免負載劇烈變化的暫態響應。此架構優點是切換時間短，而且因為架構簡單，只需要更換符合規格的MOSFET及電容即可滿足大功率應用；缺點為沒有擴充性，僅限於一個主要轉換器配一個備援轉換器，而非搭配多個備援轉換器，還有當MOSFET失效則整個備援系統就無法工作。
3.4 數位控制邏輯開關
使用數位邏輯開關能夠不使用二極體防止逆向電流，降低順向偏壓，但為了防止兩組MOSFETs同時導通造成瞬間過大電流，且必須設計死區時間。代表此方式的切換時間相對較長。此架構並不適合用在備援目的的電源多工。
設置備援系統目的為增加可靠度，因此外接電路的元件越少越好，避免過於複雜的架構，一旦元件越多，相對電路失效的場合也越多。因此本次實驗選擇遠端控制功能和單一MOSFET架構來比較其優缺點。
4. 應用實例
本文選擇以遠端控制功能和單一MOSFET開關兩種架構，來實現備援目的的電源多工。
4.1 遠端控制功能介紹
具備遠端控制功能的轉換器，能夠透過控制接腳使得轉換器進入待機模式，或使轉換器重新啟動。控制方式簡單。常見的遠端控制架構可分為正邏輯與負邏輯。正邏輯架構表示控制訊號為高電壓時，轉換器正常運行。負邏輯表示控制訊號為低電壓時，轉換器正常運行。
4.2 實驗條件
下表為本次所有實驗選用的直流-直流電源轉換器規格
| 輸出功率 | 60W |
| 輸入電壓 | 9-36Vdc, Nom.24Vdc |
| 輸出電壓 | 5Vdc |
| 滿載輸出電流 | 12A |
| 效率 | 91% |
4.3 實作結果
遠端控制功能架構
此架構利用主要轉換器的輸出，來箝制備援轉換器的輸出，並使用光耦合器隔離兩電路。切換速度受到轉換器本身的規格限制。
由實驗結果得知切換時間長達了7.4ms，在這切換過程中接近5ms無輸出，要減少切換時間能改為使用反應速度較快的轉換器。
在輸出端加電容雖可減少切換過程中的電壓降，但也因主要轉換器的輸出電壓降低速度變慢，額外增加了備援轉換器開啟的時間，由7.4ms增加到了12.4ms。
單一MOSFET開關架構
此架構也是使用主要轉換器箝制備援轉換器，但開關使用MOSFET，優點是切換速度快，而且可以在備援輸出端增加電容，改善因負載變化而帶來的暫態響應。
由實驗結果得知切換時間為190us，轉換期間輸出壓降約0.4伏特，達到了切換時間短和低轉換壓降的要求，因備援轉換器通過一MOSFET，電壓達到穩態後會有大約0.2伏特的壓降。可使用較低RDS(on)之MOSFET，或使用輸出電壓調整功能來改善。
5. 結論
本文介紹了提升可靠度的幾個因素，並分析現行電源多工架構的優缺點，來找出哪些適合用於備援架構，並在實驗後確認為單一MOSFET架構最適合，轉換時間和順向電壓降皆在可接受範圍，大小功率也皆適用。
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