Auf einen Blick

Kommen in einem System mehrere Versorgungsquellen zum Einsatz, sind Diode-OR (mit oder ohne Lastaufteilung) und ein Priorisierer die erste Wahl. Die Auswahl der zutreffenden Quelle bedingt ein sorgfältiges Design, um einen Absturz des gesamten Systems zu vermeiden. Rückströme in die Quelle und Spannungsabfall am Ausgang müssen minimiert werden, ohne ein oszillierendes Umschalten zwischen den Quellen auszulösen.

Die Auswahl der passenden Stromversorgung entsprechend den gegebenen Umständen scheint einfach, trifft man aber die falsche, führt das zu Fehlfunktionen oder gar Ausfällen der Versorgung. Das Umschalten zwischen parallel geschalteten Stromversorgungen birgt das Risiko von unerwünschten Rückströmen. Einige Fehlfunktionen treten auf, wenn Energie in eine Stromversorgung zurückfließt, was die Regelschleifen unterbricht und eine Überspannung am Ausgang bedingt, was wiederum die Kondensatoren und andere Bauteile zerstören kann. Ein weiteres Risiko besteht darin, dass es zu langen Unterbrechungen kommt, was zu einem Systemreset oder zu Fehlfunktionen führt. Ein drittes Risiko ergibt sich, wenn die Versorgungsspannungen nahe beieinander liegen. Einige auf Komparatoren-basierende Steuermethoden gehen da in einen oszillierenden Betrieb und schalten kontinuierlich zwischen den Versorgungen. Deshalb ist in diesem Fall korrektes Umschalten erforderlich.

Identische Stromversorgungen

Bild 1: Versorgung einer Last aus zwei Quellen mittels Dioden-OR.

Bild 1: Versorgung einer Last aus zwei Quellen mittels Dioden-OR.Linear Technology

Das einfachste Szenario ist ein System, das an zwei identischen Versorgungen arbeitet. Identisch setzt dabei eine gleiche nominale Spannung voraus, die im Toleranzbereich üblicherweise um einige Prozent variiert. Dies findet man bei hochzuverlässigen Servern, welche für einen kontinuierlichen Betrieb auch bei Ausfall einer Versorgung an zwei oder mehr redundanten Versorgungen arbeiten. In einem solchen System wird die Quelle ausgewählt, die die höhere Spannung liefert. Das erfolgt mit zwei Dioden, die an den Anoden zusammengeschaltet sind wie in Bild 1 gezeigt. Da spricht man von Diode-OR und das funktioniert zuverlässig, wenn nur eine Versorgung anliegt. Sind beide Versorgungen präsent, bringt die mit der höheren Spannung eine Diode in den Durchlass, während die andere gesperrt ist.

Moderne Server benötigen Leistungen von leicht über einem Kilowatt und bei 12 V Ströme im Bereich 50 A bis 100 A. Setzt man da die Diode-OR-Lösung ein mit Dioden alten Typs oder lower-drop Schottkys, führt das bei 12 V und 50 A zu einer Lösung, die 50 W verbraucht und thermische Probleme macht. Man benötigt Dioden mit geringerem Spannungsabfall und da kommt besser der MOSFET ins Spiel. MOSFETs mit Sensingschaltungen verhalten sich wie eine ideale Diode mit geringem Spannungsabfall im Durchlass und sind völlig abgeschaltet im Sperrbetrieb. Die damit erzielte zehnfache Reduktion des Spannungsabfalls verringert den Leistungsverbrauch der idealen Diode auf beherrschbare 5 W. Das erreicht man idealerweise mit einem oder parallel geschalteten N-Kanal-MOSFETs mit einem RDS(ON) von 2 mΩ wie in Bild 2 gezeigt, zusammen mit dem zugehörigen I-V-Verlauf. Der LTC4352 steuert zur Implentierung der Diode-OR-Funktion einen N-Kanal-MOSFET. Zwei dieser Schaltungen in parallel bilden eine ideale Diode-OR für redundante Versorgungssysteme. Der lineare Verlauf des Spannungsabfall am MOSFET sichert ein weiches Umschalten ohne Oszillation. Wobei eine Ein- und Ausschaltzeit von 0,5 µs den Ausgangsspannungsabfall und die Rückströme minimiert.

Bild 2a: Ideale Diode LTC4352 mit UV/OV.

Bild 2a: Ideale Diode LTC4352 mit UV/OV.Linear Technology

Bild 2b: Verlauf von I/V der idealen Diode.

Bild 2b: Verlauf von I/V der idealen Diode.Linear Technology

Ideal-Dioden zeigen Eigenschaften, von denen passive Dioden nur träumen können. Der LTC4352 nutzt diese Eigenschaften nur, wenn die Eingangsspannung im gültigen Bereich zwischen Unterspannung (UV) und Überspannung (OV) liegt. Signale am  STATUS#-Pin melden nachfolgenden Schaltungen die Schaltzustände des MOSFETs. Signale an FAULT# zeigen an, wenn bei UV/OV-Bedingungen der MOSFET abgeschaltet ist oder Signalisieren bei einem sehr großen Spannungsabfall bedingt durch offenen oder resistiven MOSFET, wobei die Warnung erfolgt bevor der Fehler auftritt.

Lastaufteilung

Bild 3: Der LTC4370 gleicht einen Laststrom von 10 A zwischen zwei 12 V Quellen mit Diode-OR aus. Die Stromaufteilung wird durch Variation des Spannungsabfalls an den MOSFETs erreicht, um den Unterschied in den Versorgungsspannungen auszugleichen.

Bild 3: Der LTC4370 gleicht einen Laststrom von 10 A zwischen zwei 12 V Quellen mit Diode-OR aus. Die Stromaufteilung wird durch Variation des Spannungsabfalls an den MOSFETs erreicht, um den Unterschied in den Versorgungsspannungen auszugleichen.Linear Technology

Dioden-OR ist die Lösung, sie schaltet die Quelle mit der höheren Spannung an die Last. Die Lebensdauer des Versorgungssystems wird verlängert, wenn beide Quellen die Last in gleicher Größe versorgen, dabei den thermischen Stress halbieren und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung extrem verbessern. Viele Systeme mit Lastaufteilung haben aber das Problem der oszillierenden Regelschleifen. Die Probleme nehmen zu, wenn die Regelschleife mit der Dynamik der Quelle interagiert. Das Konzept der idealen Diode ist da die Lösung. Durch Einstellen des Spannungsabfalls an der idealen Diode zur Kompensation der Differenz der Versorgungsspannung, ist die Ausgangsspannung der zwei idealen Dioden gleich. Der Einsatz von Sensewiderständen an diesen Punkten gleicher Spannung stellt einen gleichen oder ratiometrischen Stromfluss zur Last aus den beiden Quellen sicher. Der Strom-Balancing-Controller im LTC4370 verwendet diese Methode der Stromaufteilung zwischen zwei Quellen (Bild 3). Er kompensiert Spannungsdifferenzen bis zu 600 mV, das entspricht einer  ±2,5-%-Toleranz an zwei 12-V-Quellen oder ±6 % an zwei 5-V-Quellen.

Nicht-identische Stromversorgungen

Bild 4: Der LTC4417 als Priorisierer für drei Quellen.

Bild 4: Der LTC4417 als Priorisierer für drei Quellen. Linear Technology

Diode-OR und Lastaufteilungsmethoden sind bei zwei identischen Quellen wie in dem Serverbeispiel angebracht. Es passt nicht bei Batterie-betriebenen Systemen, in denen die Eingangsspannung von einer Batterie, einem Steckernetzteil oder einer 5-V-USB-Quelle kommt, das heißt von Quellen mit sehr unterschiedlichen nominalen Spannungen. In einigen Applikationen kommen auch noch Super-Kondensatoren als Backups zum Einsatz. Da wird eine vielseitigere Lösung gefordert anstelle einer, die auf der einfachen Metrik der Versorgungsspannung geruht. Eine solche Lösung wird Priorisierer genannt und basiert auf der Tatsache, dass in Batterie-betriebenen Systemen die Versorgung in einer Reihenfolge der Präferenz erfolgt. Typischerweise ist das Steckernetzteil die Nummer eins auf der Präferenzliste, das heißt die Last zieht Strom aus diesem, wenn immer es angeschlossen ist. Jede Quelle hat dabei einen definierten Spannungsbereich (um die Präferenz zu erkennen) und eine Priorität. Ist eine Quelle präsent, wird deren Zuschalten je nach Priorität entschieden. Der Priorisierer des LTC4417 verbindet nur eine der drei möglichen Quellen zum Ausgang entsprechend dem eingestellten Spannungsfenster und der Priorität (Bild 4). Es ist sichergestellt, dass immer nur eine Quelle eingeschaltet wird, diese wird zum Ausgang geschaltet wenn dieser unter der Eingangsspannung ist. Das minimiert oder eliminiert jeden Rückstrom in die Versorgung, gleichzeitig wird durch schnelles Umschalten der Spannungsabfall am Ausgang ein großer Einschaltstrom vermieden.