Trenutno pregledavate Novi Bijeli papir: efikasna redundancija za napajanja – genijalno MOSFET rješenje

Novi Bijeli papir: efikasna redundancija za napajanja – genijalno MOSFET rješenje

Puls inženjeri proizveli su genijalno MOSFET rješenje za odvajanje za redundantne module. Time se osigurava pouzdanost sustava u slučaju kratkog spoja i najveće učinkovitosti.

Bijeli papir opisuje više od desetak kriterija koji su neophodni za optimalne redundantne sustave. Standardne epitaksijalne ili Schottky diode ne mogu ispuniti sve te kriterije – npr. Potrebu za minimalnim gubicima bez trošila. 
Naučit ćete i više o paralelnom modu korištenja i fascinantnoj ”hot swapping” tehnologiji koja omogućuje izmjenu napajanja ili redundantnog modula pri radu cijelog sistema.

Bijeli Papir možete pročitati u nastavku…

Efikasna redundancija 
Pouzdana dostupnost sustav u slučaju kratkog spoja
Efikasna redundancija za napajanja

Redundantni moduli garantiraju pouzdanost i dostupnost sustava čak i ako napajanje otkaže. Diode za odvajanje u samom modulu vode velikom gubitku snage što rezultira većom temperaturom i velikim padom napona. Iz tog razloga, Puls mijenja diode s efikasnijom MOSFET tehnologijom. Redundantni moduli dobivaju i dodatne korisne značajke. 
U sustavu za redundanciju d..va ili više napajanja su spojena u paralelni spoj ali su međusobno odvojena jednim ili s više redundantnih modula. Modul sprječavaju kratki spoj bus napona ako dođe do kratkog spoja na izlazu napajanja. Kako bi se to postiglo koristi se dioda ili slična komponenta za odvajanje napajanja. Jedna je dovoljna za svako napajanje. Nedostatak te metode; dioda za odvajanje uzrokuje značajan gubitak snage putem zagrijavanja tj. viška temperature.

Trošilo od 40A uzrokuje otprilike 20W gubitka snage (slika 1.) Taj gubitak predstavlja značajan temperaturni stres za elektroniku koji se može smanjiti korištenjem velikih hladnjaka – uređaja za hlađenje. Puls inženjeri nisu bili spremni na takav kompromis. Proveli su istraživanje kako bi utvrdili što točno korisnici zahtijevaju u sustavu za redundanciju.

Deset kriterija za optimalnu redundanciju je proizašlo iz istraživanja:

  1. Najviša sigurnost i dostupnost
  2. Minimalni gubitak snage
  3. Jednostavnost pri korištenju
  4. Otpornost na povrat napona kod izlaza
  5. Zaštita od kratkog spoja
  6. Paralelna funkcija: Raspodjela snage među napajanjima
  7. Signal u slučaju otkazivanja napajanja
  8. Zaštita od obrnutog polariteta na ulazu
  9. Signal u slučaju greške uređaja
  10. ”Hot swap”: izmjena bez prekida napona

Prilikom analize rezultata brzo je postalo jasno da standardne epitaksijalne ili Schottky diode ne mogu ispuniti zahtjev za minimalnim gubitkom bez spojenog trošila. Zato je razvijeno rješenje za odvajanje s MOSFET tehnologijom. 
Ta tehnologija smanjuje gubitke snage. Na primjer, kad se koristi MOSFET modul, trošilo od 40A će proizvesti gubitak snage od samo 3W. No, točke 5. i 8. su bili veliki izazov za razvojni tim pri dizajniranju novog MOSFET rješenja. Razlog tome je što kratki spojevi ili obrnuti polaritet u napajanju bi uništio MOSFETe.

Dizajn strujnog kruga aktivira MOSFET u slučaju kratkog spoja

Ako dođe do kratkog spoja u trošilu ili kablovima napon kod napajanja nestane te skoro pa i nema iskoristivog napona na ulazu kod redundantnog modula. Unatoč tome MOSFETi u redundantnim modulima moraju biti kontinuirano aktivirani kako bi tok kratko spoja tekao zajedno s malim gubitkom snage. U suprotnom slučaju ta struja bi se apsorbirala u diodama u komponentama. To posljedično dovodi do gubitka snage u razmjerima do 15 puta većima te na kraju dovodi do uništavanja MOSFETa. Ta slaba točka koju imaju komponente zaobiđena je novim strujnim krugom koji i u slučaju kratkog spoja iskorištava minimalni rezidualni napon kako bi aktivirao MOSFETe na prikladan način (slika 2.).

Strujni krug se može zaobići čak i u nekim drugim kritičnim situacijama, npr. Kad se napajanje spaja na postojeći kratki spoj ili ako se na ulazu naponu okrene polaritet.

Pad napona od samo 50 mV

S MOSFETom kao odvojenim elementom čak i padovi napona mogu biti minimalizirani. Diode u standardnim redundantnim modulima uzrokuju pad napona od 500 mV između ulaza i izlaza. Zahvaljujući MOSFET redundantnim modulima ta situacija se može drastično poboljšati. Na primjer u redundantnom modulu YR.80.241 pad napona pri 40A trošilu je manji od 50mV između ulaza i izlaza.

Jednaka podjela snage putem paralelne funkcije

Nakon uvođenja MOSFETa čak i mod paralelnog korištenja ostvaruje bolji termalni balans što dovodi do produženog vijeka trajanja proizvoda. U tom procesu struja trošila se podjednako dijeli na individualna napajanja. 
Postoje dva načina integracija paralelne funkcije u sistem. Može biti direktno integrirana u napajanja ili u redundatne module. U integraciji napajanja izlazni napon je reguliran na način da je oko 4% viši bez priključenog trošila u odnosu na nominalno trošilo. To rezultira s automatskom raspodjelom struje između uređaja toliko dugo dok im je napon bez priključenog trošila identičan. Ako napajanje troši više struje napon se smanjuje automatski te se obnavlja simetrija struje. To svojstvo osigurava da nema gubitka snage u distribuciji. Kod integracije paralelnih funkcija u redundantnim modulima MOSFETi se koriste u linearnom modu. Generiraju dozirani pad napona u kanalu s višim naponom s ciljem postizanja simetrične struje između dva kanala tj. dva napajanja. Ta metoda također omogućuje napajanjima bez integriranog paralelnog moda da se koristi u paraleli. Puls razvojni inženjeri bave se intenzivno tim optimizacijama na oba polja. Ključno je za paralelni mod uvijek osigurati sigurnost, dostupnost i učinkovitost redundantnog sustava – kako za klasični 1+1 sustav kao i za N + 1 sustav.

”Hot swapping” – promjena bez prekida napona

Dodatna tehnička inovacija je implementirana u dizajnu redundantnog modula YR40.245. ”Hot swapping” je također dostupan na tom modelu. Što točno ”hot swapping” jest? Pod tim pojmom podrazumijevamo zamjenu napajanja ili redundantnog modula dok je sistem uključen. Da bi to bilo moguće kritični spojevi imaju konektore sa zaštitom od kratkog spoja. Ako se prati točno određeni i predodređeni slijed radnji pokvareni uređaj se može zamijeniti bez pada napona. Redundantnost se vraća odmah nakon zamjene. To je neophodno za sisteme gdje je čak i mali gubitak napona može uzrokovati značajne sigurnosne rizike ili značajne financijske troškove.