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+12V ATCA ORing二极管设计

+12V ATCA ORing Diode Design

安森美半导体 Sue Nee / Alan Ball


本文将讨论选择ORing二极管时的一些考虑因素。参见图1不带输入功率耦合二极管的ATCA板级功率转换中的ORing二极管。

图1 不带输入功率耦合二极管的ATCA板级功率转换(略)


冗余 48 Vdc输入总线由两个隔离的直流/直流转换器转换为一个 +12 Vdc分布式总线。然后,此总线为负载转换器点送电,该转换器根据负载要求提供合适电压。如果这些直流/直流转换器发生故障,和故障电源串连的ORing二级管必须快速阻塞或关断。快速和"软"关断保证+12 Vdc分布式总线电压不会降得太低,而且不需要加大电容器组来保持总线电压。过低降压点定义为降到POL转换器开始不能稳压时的值。关断波形急剧上升会引起EMI过大。任何一个上述问题都会引发系统故障。加大电容器组会增加额外的成本,而且会占据印刷电路板的空间。良好的设计应具有最小的电源保持电容。

+12V ORing二极管的要求是:

I正向 max=功率max/V分布 mini
=200W/10.8V=18.5A

(假设+12Vdc分布式总线的调整率为 10%)
要获得额外的设计余量,可规定ORing二极管阻塞能力为20 Vdc,最大载流为20A。


肖特基二极管解决方案

要获得ORing功能,最简单的解决方案是使用肖特基二极管。一些供应商甚至提供了低VF或ORing肖特基二极管,65PQ015是其中一种。图2最大正向压降特性表明在IF=20 A和Tj=25 C时,VFM约为0.3V。

图2 最大正向压降特性(略)

这个肖特基ORing二极管的功耗为:

P损耗Max=VFMxIF=0.3Vx20A=6W

但是,ORing二极管应关断的漏电流情况又如何呢?如果直流/直流电源供电为13.2V,而被反向偏置ORing二极管阻塞时的直流/直流电源是11.8V,则关断的ORing二极管上加有2.4V的反向电压。

最精确的数据表规定,关断的ORing二极管最大反向漏电流的条件是VR=5V且TJ=125C。在这种情况下,最大漏电流是1.2A。

这将是在最差条件下关断肖特基二极管的功耗:

IRMxVR =1.2Ax2.4V=2.88W

因此,肖特基ORing解决方案的总损耗是每块板:

6+2.88= 8.88W


集成ORing二极管解决方案

安森美半导体的NIS6111是一个混合ORing二极管,参见图3 NIS6111框图。该集成ORing二极管在IF = 20A时VF = 0.124V。它的正向导通损耗是0.124Vx20A=2.48W。因为ORing二极管用于门驱动,可以并联一个额外的MOSFET,进一步降低VF。(并联相同的MOSFET以与特性相匹配是一个好的做法。内置的MOSFET是NTD110N02,)参见图4等效电路表示。

并联NTD110N02之后,导通功率损耗变为0.062Vx20A=1.24W。因为这是一个集成器件,内部的模拟电路的最大偏置电流为4mA。最大的偏置功耗是4 mA xVAnode=4 mA x13.2V=53mW。加到浮电荷泵器件的最大功率是36 mW。浮电荷泵采用+12 VDC总线作为输入并且将其升高10V,送到NIS6111的Vregin引脚,所以总导通功耗是1.33W。
集成ORing二极管的反向漏电流在TJ=150C和VR=24V时是10 A。那么,关断集成ORing二极管的功耗是2.4V x 10 A = 24 W。对于1.33W的导通二极管,增加的功耗可以忽略。

图3 集成ORing二极管NIS6111的框图(略)

图4 等效电路表示(略)


小结

从设计便利性考虑,肖特基解决方案是更简单的解决方案。但是,考虑到16插槽的机架,ORing肖特基二极管造成的总功耗将达到142W。用集成ORing二极管NIS6111,加上额外的MOSFET,可将ORing损耗减小到21.3W。集成了ORing控制器和MOSFET并且将其特性化,将为ATCA电源设计师提供了最新最简单的解决方案。

         
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