N+1 架構支援更高的電源可靠性

透過系統單晶片 (SoC) 元件和高密度現場可編程閘級陣列 (FPGA) 增加整合性，能在工業系統中納入更多功能。 不過，由於這些系統取代了先前由多項產品支援的角色，因此不僅在控制器中提高了容錯和備援的要求，電源供應器也是一樣。

功能增加也會產生高峰值電流需求。 在這種情況下，電力系統設計人員可以選擇並聯兩個或多個單元。 並聯不只能夠支援高峰值電流需求，同時可透過較少的長期應力提供更好的整體可靠性，還能支援「N+1」備援設計實作。

N+1 架構會在系統中增加至少一個額外電源供應器，可在其他任一電源供應器故障時提供電力。 在較大系統中使用 N+1 備援架構提供容錯是特別符合成本效益的方式。 在一般操作情況下，超過一個電源供應器同時故障的機率微乎其微，因此在以均流模式運作的兩個或三個電源供應器陣列中，額外增加一個電源供應器並不會大幅增加成本。

有兩種常用方法可達到 N+1 備援。 一個方法是將一個備用電源供應器指定為冷待機或熱待機。 雖然冷待機作業能增加備用電源供應器的壽命，但是在故障後所需的啟動時間可能會導致系統失效。 熱待機能確保備用電源隨時準備好在群組中另一個電源供應器故障時接替，但因為此電源以極低負載情況操作，因此會造成低效率，導致比冷待機單元承受更多內部熱生成造成的應力。

若允許備用電源參與均流，就能將這些電源的應力平衡分配到整個電源供應子系統中。 傳統上，電源供應器是為了在高輸出負載下達到峰值效率所設計，也就是說工作均流低於峰值負載時，會增加額外熱生成。 然而近年來的電源供應器設計已經開始注重低負載效率，因此這個問題不再如此重要。 可使用具有較寬廣高效率範圍的電源，確保在正常操作期間處於低熱輸出區，並在故障後移至較高負載情況。

N+1 備援解決方案提供數種層級，從全電源供應器到 IC 層級建構模塊皆有。 在全電源供應器層級中，CUI 的 VFK600 系列專為並聯操作所設計。 在並聯情況下，只要連接 PC 引腳就能讓兩個模組平均分享負載電流。 VFK600 可以設定成兩種不同的模式來達成並聯操作，其中一種用於並聯操作，另一種用於 N+1 備援操作，適用於需要備用電源時的負載。

VFK600 採用具有整合式散熱片的耐用金屬外殼封裝，能提供高達 700 W 的隔離輸出，適用於中間 DC 匯流排，並提供介於 18 至 36 V_DC 流入電壓或 36 至 77 V_DC 的 2:1 輸入範圍，能降壓轉換至 12 到 48 V_DC。 此電源供應器也提供內部短路保護和遠端開機／關機控制。

雖然 VFK600 等電源供應器含有在 N+1 系統中操作的必要元件，但其他設計可能並不包含，或是需在電力設計中採用客製化方法。 因此，需要採用方法來安全地並聯多個電源供應器。 在 N+1 設計中經常使用的一種方法，就是利用肖特基 ORing 二極體將備援式電源供應器連接到負載的共用點。

一般而言，ORing 元件是用來保護系統以免故障的二極體，例如輸入電源短路的情況。 ORing 二極體只允許電流以單一方向流動，因此能隔離備援匯流排引起的故障，讓系統得以使用剩餘的電源供應器繼續運作。

二極體能有效地立即斷開輸入電源短路。 但是使用傳統二極體也有其缺點。 二極體在 ORing 應用中絕大多數時間都處於正向導通模式，但二極體固有的壓降會耗散電力與熱量，因此需要有更好的熱管理。

隨著功率密度上升，高電力耗散所帶來的問題近年來越來越明顯，例如在資料中心伺服器應用中，就需要盡可能降低強制空氣散熱的成本。

用 N 通道 MOSFET 取代 ORing 二極體會稍微增加複雜度，但是 MOSFET 具有更高的傳導性，能降低二極體在高功率應用中對散熱片和類似熱管理技術的需求，且僅有稍微增加電路複雜性的代價。 Texas Instruments 的 LM5050-1 就是專為此目的而設計的控制器例子之一。 此正電壓高側 ORing 控制器能驅動外部 N 通道 MOSFET 做為 ORing 二極體的替代品。

MOSFET 源極和汲極引腳間的電壓由 LM5050-1 監控。 「閘極」輸出引腳會根據受到監測的源極汲極電壓，驅動 MOSFET 以控制操作。 因此能達到理想的整流器；MOSFET 的源極和汲極引腳可分別當作二極體的陽極和陰極引腳。

圖 1：TI 的 LM5050-1 方塊圖。

LM5050-1 的設計能在 MOSFET 源極和汲極引腳之間的電壓低於約 30 mV 時調節 MOSFET 的閘極對源極電壓。 電壓下降時，閘極引腳電壓會降低，直到 MOSFET 電壓調整到 22 mV 為止。 若 MOSFET 電流逆轉（可能是因為輸入電源供應器故障，使得 MOSFET 汲極和源極間電壓的負值超過大約 -30 mV），LM5050-1 將透過強力放電電晶體迅速讓 MOSFET 閘極放電。

若輸入電源供應器突然故障，就如同電源供應器直接接地短路一樣，逆向電流會暫時流經 MOSFET，直到閘極完全放電為止。 此逆向電流來自負載電容量以及並聯的電源供應器。 LM5050-1 通常會在 25 ns 內回應電壓逆向狀況。 關閉 MOSFET 所需的實際時間取決於所使用的 MOSFET 閘極電容量。 根據 TI，具有 47 nF 有效閘極電容量的 MOSFET 通常可在 180 ns 內關閉。 如此快速的關閉時間能將輸出端的電流干擾以及備援電源供應器的電流暫態降到最低。

當內部的 LM5050-1 控制電路將 MOSFET 的閘極放電時，輸入電源供應器的突發零歐姆短路將導致最高的逆向電流流動。 在此期間，逆向電流只受 MOSFET 的導通電阻、寄生線路電阻值和電感值的限制。 最壞情況下，瞬間逆向電流通常會限制在 (V_out - V_in)/R_DS(on)。

當 MOSFET 以這種突發方式關閉時，寄生線路電感中儲存的能量將會傳送至電路的其餘部分。 因此，LM5050-1 能在量測引腳上看到電壓尖波。 將二極體的引腳以負向方式接地即可保護與源極連接的引腳；另一個引腳可以用 TVS 防護二極體、局部旁路電容或兩者來保護。

離散主動 ORing 電路的替代方案就是採用封裝款式，例如 Vicor 的 Cool-ORing 系列元件。 這些元件在高密度的熱強化 5 x 7 mm 柵格陣列 (LGA) 封裝中結合高速 ORing MOSFET 控制器以及超低導通電阻 MOSFET。 這些解決方案能達到最低 1.5 μΩ 的典型導通電阻，並且可在寬廣的工作溫度範圍內達到高達 24 A 的持續負載電流。 此設計可用於低電壓高側應用，在納入支援電路後，即可比離散方案達到更優異的電路板空間節省效果。 此元件提供最快 80 ns 的故障狀況回應。 主從式功能能讓元件並聯，以滿足高電流主動 ORing 的需求。

圖 2：Picor 的 Cool-ORing 解決方案對故障狀況的回應。

ORing 解決方案能將電源供應器安全耦合，因此能以合理的成本，為工業和類似系統打造 N+1 備援架構且更可靠的電力系統。