引言

－－－实现备用电源的传统办法，也是最有效的办法，是使用二极管进行“或操作（ＯＲｉｎｇ）”。图１是用二极管进行“或操作”的电路图。可以把它用到一个典型的－４８Ｖ系统中。虽然“或操作”是实现备用电源的一个有效方法，但是它的一些明显的缺点是现代的高档系统所不能容忍的，这促使人们去发展“有源或操作（ＡｃｔｉｖｅＯＲｉｎｇ）”的方法，在本文中将介绍这个方法。

用二极管实现“或操作”的方法

如图１所示，用二极管实现“或操作”的传统方法只不过是在每一个－４８Ｖ输入电源中插进去一只二极管。“或操作”二极管的作用是把出故障的输入电源同系统的其他部分切断。这样，备用电源就能够把供电的任务接过来，成为主电源，为系统供电。如果这个“或操作”的功能还不能胜任这个工作，系统的输入电源仍然是短路的，那么这个系统最后也就会停下来。在正常工作时，这个二极管是正向偏置的，它处于正常导通状态。但是如果来自电源Ａ的输入电源出现故障，电流就会沿着相反的方向从起“或操作”作用的二极管中流过，但是这只二极管不会让电流向着相反的方向流动，于是系统与短路的电源之间就会切断，而后就由电源Ｂ为系统供给电力。在二极管起“或操作”作用时遇到的问题是系统的效率变得更加重要，这是因为处理更大的功率损失成为热设计的一个大问题。不仅如此，功率总是在增大，要保持系统的效率很高，就更加困难。二极管在导通时，它上面存在一个并不低的正向压降，于是产生相当大的功率损失，尤其是在电流增大的情况下。需要进行“或操作”的情况并不是很多，只有在输入电源出现故障时才起这个作用。在其他时间里，这只二极管是工作在导通状态，它产生固定数量的功率损失，会降低系统的效率，造成系统产生相当多的热量，这个功率损失是应该尽量避免的。通常，一个１５０Ｗ的系统需要一个ＴＯ－２２０封装的二极管，它是通孔安装的元件，装在系统电路板上。此外，系统还需要用散热器来降低器件中半导体结的温度。按照一般的经验，在起“或操作”作用的二极管的功率损失达到大约２Ｗ或更大的情况下，要用通孔安装的元件，并且要使用散热器，在功率损失低于２Ｗ时，需要使用一只表面贴装的Ｄ２Ｐａｋ封装元件。通孔安装的器件是插在电路板的孔中，散热器要用手工安装。这种办法占用的体积很大，电路板上电源使用的面积便减少了。

由于随着功率增高人们要求系统有更高的效率，而且也一直需要尺寸较小的解决办法，用二极管实现的“或操作”这个方法的效果受到了限制。现在需要一个新的“或操作”解决方案，它的速度要很快，要具有二极管的保护性能，同时还能起同步整流器的导通作用。

“有源或操作”

改进传统的二极管“或操作”功能的一个适用方法，是使用一只ＭＯＳＦＥＴ晶体管来代替它，如图２所示。由于ＭＯＳＦＥＴ晶体管属于有源器件，要在栅极上加一个驱动信号它才会导通或关断，所以需要在外面用集成电路来控制。使用ＭＯＳＦＥＴ晶体管，可以显著地降低正向导通损失。因为在这种情况下，可以使用尺寸很小的表面贴装ＭＯＳＦＥＴ晶体管，往往采用尺寸很小的ＳＯ－８或者ＤｉｒｅｃｔＦＥＴ封装器件和功率从１５０Ｗ到３００Ｗ以上、用于－４８Ｖ的应用系统。然而在“有源或操作”这个解决办法中，关键的要求是ＭＯＳＦＥＴ晶体管的关断速度。这点是很重要的，因为当ＭＯＳＦＥＴ晶体管在导通时，电流是可以双向流动的。上文已经讲过，如果有一个输入电源出现故障，电流会改变方向，在使用ＭＯＳＦＥＴ晶体管的情况下，电流可以沿着相反的方向流动。在这时，输入电压将开始下降，更严重的情况是，如果所使用的“有源或操作”解决办法的性能很差，出现短路的输入会把备用电源的电压拉下来。所以，对于一个有效的“有源或操作”解决办法，集成电路要监测系统的状态，在输入电源出现故障的情况下，它应该对反向电流迅速做出反应，并且尽可能快地将ＭＯＳＦＥＴ晶体管关断。

完成“有源或操作”的集成电路是一种高速控制器，其中包含一个ＭＯＳＦＥＴ晶体管驱动器。这个集成电路的输出电压就是推动ＭＯＳＦＥＴ晶体管的电压，它是根据集成电路输入端的电压差的极性来确定的。“有源或操作”集成电路的输入端ＩＮＮ和ＩＮＰ是接在ＭＯＳＦＥＴ晶体管的漏极与源极之间，连续地测量ＭＯＳＦＥＴ晶体管上的电压。如果有一路输入电源出现故障，ＭＯＳＦＥＴ晶体管中的电流便迅速地改变方向。当ＭＯＳＦＥＴ晶体管中的电流改变方向时，电压将开始升高，而极性相反，当电压超过集成电路中偏移电压设定值时，便将ＭＯＳＦＥＴ晶体管关断。在使用国际整流器公司新的ＩＲ５００１Ｓ型“有源或操作”控制器和驱动器时，ＭＯＳＦＥＴ晶体管的关断速度大约是１３０ｎｓ，使得－４８Ｖ输入电源的电压波动不到２Ｖ。ＩＲ５００１Ｓ的速度大约是竞争对手最接近的产品的两倍，它的典型工作波形如图３所示。

如果使用一只额定电压为１００Ｖ、导通电阻约为２２ｍΩ的ＭＯＳＦＥＴ晶体管，例如ＩＲＦ７４９５，并且假定电流为４Ａ，测量到的正向电压大约是８５ｍＶ，功率损失的测量值大约是３７０ｍＷ。这是用尺寸非常小的ＳＯ－８封装ＭＯＳＦＥＴ晶体管时得到的结果。在使用传统的肖特基二极管实现的“或操作”解决方案中，使用Ｄ２Ｐａｋ或者ＴＯ－２２０封装的肖特基二极管，它的正向电压降大约是６００ｍＶ，功率损失是２．４Ｗ。与传统的肖特基二极管相比，使用沟道型肖特基二极管有一些改善，但是正向电压仍然达到３７０ｍＶ，功率损失为１．４８Ｗ。这表示与使用传统的肖特基二极管的方案相比，使用ＭＯＳＦＥＴ晶体管的“有源或操作”解决方案的功率损失减少了８５％；与使用沟道型肖特基二极管的方案相比，使用ＭＯＳＦＥＴ晶体管的“有源或操作”解决方案的功率损失减少了７５％。对于功率不同的情况，建议选用正向电压降大约为５０ｍＶ的ＭＯＳＦＥＴ晶体管。这样，在导通损失和ＭＯＳＦＥＴ晶体管关断时的动态响应之间，可以得到很好的折中，并且可以很快地保护系统。在功率较高，达到３００Ｗ的情况下，利用外壳为中等尺寸、额定电压为１００Ｖ的新型ＤｉｒｅｃｔＦＥＴＭＯＳＦＥＴ晶体管ＩＲＦ６６４４，可以提高“有源或操作”解决方案的性能。在功率为３０～６０Ｗ的情况下，利用外壳为小尺寸的ＤｉｒｅｃｔＦＥＴＭＯＳＦＥＴ晶体管ＩＲＦ６６５５可以将“有源或操作”解决方案的性能做到最好。外壳尺寸为中等的ＤｉｒｅｃｔＦＥＴ将取代并联的ＳＯ－８器件，而小外壳的ＤｉｒｅｃｔＦＥＴ的尺寸不到ＳＯ－８的一半，也将取代ＳＯ－８器件。采用“有源或操作”解决方案可以减少功率损失，把整个系统电路板的效率提高１．３％。对于使用表面贴装封装的方法来实现功率解决方案，消灭体积大的通孔封装和散热器总成（它会增加制造成本和复杂性）也是有帮助的。

在功率较小的系统中，当选择用于“有源或操作”解决方案的ＭＯＳＦＥＴ晶体管时，最好选用正向压降在５０ｍＶ这个范围的晶体管。原因是“有源或操作”解决方案的关断速度决定于电流开始向相反方向流动时ＦＥＴ晶体管上的极性相反的电压。如果使用导通电阻很小的ＭＯＳＦＥＴ晶体管，反向电压的增大就需要长一点的时间，尤其是小功率系统。为了在导通时的功率损失和关断速度之间妥善地做出平衡，并不一定要选择ＲＤＳ（ｏｎ）最小的ＭＯＳＦＥＴ晶体管，而且，如果按照这个经验规则，还可以节省一些成本。

对“有源或操作”解决方案的一个重要要求就是实现起来要简单。这种解决方案要取代的是一个只有两个连接端的二极管器件。集成电路和ＭＯＳＦＥＴ晶体管必须很小，引出脚的数量也要尽量少。新的ＩＲ５００１Ｓ是一个有８个引脚的器件，它只需要两个外接无源元件和它一起工作。

ＩＲ５００１Ｓ“有源或操作”解决方案的另一个优点是能够检测ＭＯＳＦＥＴ晶体管的状态。在使用二极管时，如果二极管坏了，短路了，是不可能检测出来的，因为它继续导通。这时，如果有一路输入电源出现故障，这只二极管就不能够保护系统。在使用“有源或操作”解决方案时，如果ＭＯＳＦＥＴ晶体管遇到类似的情况，ＩＲ５００１Ｓ会对系统进行诊断测评。在ＩＲ５００１Ｓ上有两个引脚“ＦＥＴＣｈｅｃｋ”（或者“ＦＥＴＣｈ”）和“ＦＥＴＳｔａｔｕｓ”（或者“ＦＥＴＳｔ”）。送到引脚“ＦＥＴＣｈｅｃｋ”上的逻辑信号会把集成电路的输出电压拉下来，让ＭＯＳＦＥＴ关闭。ＭＯＳＦＥＴ晶体管的短暂关闭，会引起漏极与源极之间的电压上升（可在集成电路的ＩＮＮ和ＩＮＰ引出脚上测量此电压）。如果电压从大约不到１００ｍＶ上升到７００ｍＶ（由于ＭＯＳＦＥＴ的体内二极管，可以预计到这点），ＭＯＳＦＥＴ就是正常的。如果电压没有上升到高于３００ｍＶ这个临界值，那么就是ＭＯＳＦＥＴ晶体管短路了。按照外接ＭＯＳＦＥＴ晶体管的状态，“ＦＥＴＳｔａｔｕｓ”引脚为系统提供一个输出信号。利用这个功能，可以在系统一级对“有源或操作”电路进行监测，因而可以事先安排维护工作，不会因系统随机地停机而造成不便。把偏移电压设计成不对称的，在负载小的情况下，可以防止输出产生振荡，从而提高可靠性。

ＩＲ５００１Ｓ适合用于以下几种不同的“有源或操作”和极性反接保护。

●根据ＡＴＣＡ规范，在基础通信设备中使用的输入为－４８Ｖ／－２４Ｖ的“有源或操作”电路，包括使用简单的外接充电泵电路的接地“或操作”电路。

●直流－直流转换电源中的输入极性反相保护。

●交流－直流整流器中２４Ｖ／４８Ｖ输出的“有源或操作”电路。

●输出为１２Ｖ的多路输出备用直流－直流电源和交流－直流电源。

●为处理器供电的备用电源中多路输出低压稳压器（ＶＲＭ）的“有源或操作”电路。

在输出为１２Ｖ的系统中，可以将４个采用ＤｉｒｅｃｔＦＥＴ封装的ＩＲＦ６６０９型ＭＯＳＦＥＴ晶体管并联起来，构成能够处理１００Ａ电流的“或操作”电路。

ＩＲ５００１Ｓ可以用于极性相反的电路中，代替尺寸大的Ｄ２Ｐａｋ封装二极管和价格高的继电器。

ＩＲ５００１Ｓ是非常结实的器件，比较器的两个输入都有电压钳制电路，可以连续地加上１００Ｖ的电压。此外，它还能够承受栅极连续短路的状态。ＩＲ５００１Ｓ在偏置电压方面也很灵活，因而可以直接由电信业中３６～７５Ｖ的电压（最高为１００Ｖ）供电，或者通过外面的偏压电源和偏压电阻器供电。

表１是ＩＲ５００１Ｓ的主要技术指标，图４是其内部的电路图。

结论

在“有源或操作”解决方案中，使用国际整流器公司的ＩＲ５００１Ｓ控制器和驱动器集成电路，对于现在要求正常工作时间和服务质素都很高，同时要求效率高、功率密度很高的高档系统有很多好处。与使用二极管的“或操作”解决方案相比，使用ＩＲ５００１Ｓ时，可以减少８５％的功率损失，同时电路板的空间可以节省５０％。对于一个典型的基站，相当于总共节省电力约２００Ｗ。这个集成电路的响应时间也比市场上其他的“有源或操作”解决方案快两倍以上，在输入电源出现故障的情况下，可以有效地保障系统工作，同时实现起来也很简单。