电源开关的常见类型及冗余电源开关的架构

什么是电源开关，它们在哪里使用？

电源开关有三种基本类型。第一个称为低边开关，因为该开关将负载接地。

图1.低侧电源开关

或者，可以将开关放置在电源轨中，称为高边开关。

图2.高边电源开关

最后，还有一种带有可隔离电源开关的机械继电器方法。继电器可用于控制需要电气隔离的负载，因为负载不与控制器共享公共接地电位。它们通常用于切换高电流和电压。继电器在短期电流和电压尖峰的情况下也很坚固。

图3.可隔离电源开关

自 1970 年代以来，已为点阵引脚驱动器和继电器/电磁阀驱动器等应用提供集成低侧电源开关。图 5801 所示的 MIC1 包括锁存器，并集成了 5801 个驱动器输出。锁存器允许在相同的八条输入线路上多路复用多个 MIC5801，每个 MIC<> 在其输出需要更新时单独选通。

图4.MIC5801 锁存低侧驱动器

MIC5801 的输出级如图 5 所示。它是一个达林顿负-正-负（NPN）级，具有二极管保护功能，可防止低于地电位或高于负载电源的电压瞬变。使用分立元件进行复制很容易，但使用集成电路 （IC） 可以节省空间和成本。

图5.低侧驱动器输出级

卫星通常受到功率限制，由太阳能和电池混合供电。因此，未使用的系统在不使用时会关闭电源。电源开关通常是高压侧，因为输入和输出以地为参考，并且不接地更简单。此外，空间系统通常需要冗余，图6所示的系统可能必须允许3.3V电源从死电源切换到工作电源。此外，模块本身可能需要在发生故障时进行电气断开，以避免消耗不必要的功率。

图6.高边电源切换到模块

AAHS298B 是一款用于空间的八通道高边电源开关，经过设计抗辐射处理。这意味着从设计的初始阶段，我们就使用经证明具有耐辐射性的特殊工艺、设备和设计技术。AAHS298B 包含 700 个独立的 10 mA 电源开关，采用 75V 至 7V 的公共电源供电（图 <>）。

图7.AAHS298B

以下是商用高边驱动器 MIC2981 与 AAHS298B 的比较。与前面讨论的MIC5801低边驱动器一样，这些都是简单的部件。AAHS298B 采用密封陶瓷小外形 （SO） 封装，这是大多数空间应用所需的。它仍然提供与商用塑料 SO 封装相同的 1.27mm 引线间距。

AAHS298B 在输入和输出周围具有更多保护功能，并具有热关断功能，但没有过流保护。相反，AAHS298B 设计用于熔断（如开路）输出的键合线，以便在过载足够长的情况下实现故障安全断开。这可能发生在灾难性事件（如短路故障）期间。

图8.MIC2981 高边驱动器与 AAHS298B 的比较

灾难性事件可能是短期的，也可能是自我修复的，需要再次通电。或者，AAHS298B 输出本身可能存在故障。无论哪种方式，电源开关都需要冗余，这意味着在发生故障时为负载供电的备用方式。

提供冗余电源开关的经典方法是使用冗余电源开关，即两个而不是一个，并通过二极管组合它们的输出（图 9）。

图9.通过二极管进行冗余电源切换

二极管可防止电源总线通过损坏的驱动器反向驱动。例如，顶部驱动器损坏，可能是其输出短路到地。通过底部驱动器（冗余路径）到电源总线输出的路径很好。顶部二极管反向偏置，可防止损坏的顶部驱动器下拉电源总线（图 10）。

图 10.驱动程序故障阻止

还有另一个故障需要考虑，那就是二极管故障导致开路或短路。这就是我们的LX7710辐射抗辐射设计八对二极管阵列的目的。LX7710采用与AAHS298B相同的密封封装。所有二极管的额定电流均为700 mA，与AAHS298B输出相匹配。二极管成串联，如图11所示，通常用作两对并联。

图 11.AAHS298B 与 LX7710 一起使用

每组四个二极管仅取代图9和图10中的一个二极管。冗余需要四个二极管。考虑单个驱动程序，如图 12 所示。在正常工作时，电流流过两对二极管。

图 14.冗余二极管—一个短路二极管的电流

图15显示了一个冗余设置，其中包括电源驱动器，因此两个AAHS298B通过二极管驱动相同的1个负载。例如，要打开 CH1 输出，请将 SEL_CH1_VS1 或SEL_CH2_VS<>调高，或同时调高。二极管ORing可防止从一个通道反向驱动到另一个通道。二极管阵列使用两个串联，因此，如果一个二极管短路，其余二极管仍用作阻断器件。因此，这种架构可防止单点故障，因为如果一个二极管或一个驱动器发生故障，继电器将被驱动。

图 15.完全冗余驱动程序

审核编辑：郭婷