Подключение внутреннего и внешнего BEC параллельно для увеличении надежности системы.

Давно возник у меня вопрос почему производители ESC рекомендуют отключать плюсовой провод идущий к приемнику при применении внешнего BEC, ведь двойное резервирование повысило бы надежность системы, все объяснения сводились к тому, что может возникнуть конфликт между внутренним и внешним BEC, что за конфликт так и оставалось загадкой.
Порывшись в интернете обнаружил множество очень интересных статей о параллельном соединении источников питания.

Параллельное соединение источников питания

Необходимость в параллельном соединении источников питания (ИП) возникает обычно по одной из следующих причин:
• резервирование ИП для увеличения надежности работы радиоэлектронной аппаратуры;
• увеличение общей выходной мощности ИП.
Примеры для обоих случаев очевидны и известны из практики. Так, резервирование ИП применяют в военной технике, на конвейерных линиях, в железнодорожном и электротранспорте. В быту резервированием ИП можно назвать применение источников бесперебойного питания (ИБП) в устройствах охраны и сигнализации, а также в компьютерной технике. Увеличение выходной мощности
путем параллельного подключения ИП оправдано для питания мощной нагрузки, например радиопередатчика (трансивера) с максимальным током потребления более 20 А.
В большинстве случаев параллельное соединение источников требует реализации функции распределения тока между ними.

Защита источников без распределения тока

Такая защита часто необходима, когда требуется избежать нежелательной поломки электронных устройств вследствие отказа ИП. С этой целью соединяют два ИП в параллель способом, представленным на рис. 1.32.

Рис. 1.32. Способ параллельного соединения ИП
Допустим, ИП-2 настроен на более низкое выходное напряжение относительно ИП-1. Поэтому только первый источник питания PS1 поставляет ток в нагрузку, так как только его последовательный диод (диод Шоттки 1N5821) проводит ток.
Мощность на нагрузке создается только одним ИП, а не является удвоенной. Напряжение нагрузки равно напряжению источника питания минус падение напряжения на диоде (U„ – Un.uVDi)-
ИП-2 при этом находится в режиме ожидания под более низким напряжением и в случае прекращения работы ИП-1 вместо него поставляет ток в нагрузку.
При такой схеме соединения источников напряжение на нагрузке снижается при росте тока нагрузки (LOAD REGULATION), а падение напряжения на проводящем диоде растет по мере повышения тока («естественное распределение тока»).
Главным недостатком данной схемы является нестабильность напряжения на нагрузке. При изменении тока нагрузки (LOAD REGULATION) падение напряжения на диоде колеблется от О В без нагрузки до 0,6 В под нагрузкой.
Это падение напряжения уменьшает напряжение на нагрузке в зависимости от выходного тока. Поэтому эта конфигурация не используется при напряжениях ниже 12 В, когда падение напряжения на диоде составляет значительную долю от напряжения на выходе.
В этой схеме из-за отличия напряжений источников нет возможности применять корректирующие линии SENSE, так как ИП, настроенный на более низкое напряжение и находящийся в режиме ожидания, обнаружив в своих линиях SENSE повышенное по отношению к своей настройке напряжение, сразу прекратит процесс преобразования.

Защита источников с распределением тока

В этой схеме линии SENSE обоих источников подсоединены к нагрузке и между источниками питания включена линия распределения тока (PC).
Для того чтобы при защите иметь стабильное напряжение на нагрузке, необходимо ввести «активное распределение тока» между ИП. При параллельном соединении источников добавляется специальная линия распределения тока, которая соединяет между собой соответствующие терминалы источников питания. Такое соединение выполняется по схеме на рис. 1.33.

Рис. 1.33. Схема с линией распределения тока
Каждый из источников питания отдает нагрузке половину своей мощности.
Источники должны быть настроены по напряжению как можно ближе друг к другу, а сопротивления соединительных проводов от каждого из источников к нагрузке должны быть равны друг другу.
Эта конфигурация позволяет соединять в параллель более ИП (N+1), когда дополнительно включается еще один резервный ИП, который в случае неисправности одного из источников начинает работать вместо отказавшего источника.
Принцип работы устройства с активным распределением тока
ИП на выходе контролирует напряжение путем сравнения напряжения, измеряемого на линиях SENSE, с внутренним эталонным напряжением. Для того чтобы источник мог эффективно делить ток с другим источником, он должен непрерывно получать информацию о своем токе и о токе другого источника. Эту информацию источник обрабатывает и использует во время контроля и регулирования выходного напряжения. При этом если ток источника слишком велик, его выходное напряжение начнет снижаться, и наоборот. Фактически поступает информация о разности токов
двух источников, в случае положительной разности токов следует понизить напряжение источника, в случае отрицательной разности – повысить это напряжение. В это же время соседний источник питания получает информацию, обратную по знаку, и выполняет обратные действия. Так осуществляется балансировка токов источников. При параллельном соединении более чем двух ИП число переменных, участвующих в процессе распределения тока между ними, велико (каждый источник нуждается в информации о своем токе и токе всех остальных). Поскольку каждый из источников осуществляет контроль и регулирование выходного напряжения и тока на основании всех переменных, то появляется опасность, что такой сложный контур регулирования может потерять стабильность, поэтому количество источников, включаемых параллельно по такой схеме соединения, ограничено.

Особенности электрической цепи

Фактически каждый источник питания представляет источник напряжения, зависящий от его тока. Положительный терминал выходного напряжения соединен с точкой контроля выходного напряжения, а отрицательный терминал выходного напряжения – с отрицательным терминалом выходного напряжения соседнего источника питания. Разность между V(I1) и V(I2) влияет на распределение напряжения между источниками так, что если она положительна, выходное напряжение первого источника должно падать, чтобы сохранять положение, когда точка контроля равняется эталонному напряжению.
Соединение для получения большей мощности
Для получения высокой мощности от двух ИП их соединение выполняется по схеме на рис. 1.34.

Рис. 1.34. Электрическая схема соединения двух ИП в параллель
В этой схеме, так же как и в предыдущей, ИП соединяются между собой линией распределения тока. Без активного распределения тока параллельное соединение источников не будет нормально функционировать из-за очевидной разницы выходных напряжений ИП. Вследствие этой разницы ИП с более высоким выходным напряжением выдает на выходе максимально возможный для него ток.
Подключение к мощной нагрузке приводит к тому, что в какой-то момент времени максимальный ток ИП оказывается недостаточен. При ограничении тока напряжение источника начинает снижаться.
Это заставит источник питания с более низким выходным напряжением поставлять необходимый остаток тока. При введении активного распределения тока необходимо следить за тем, чтобы общая мощность ИП была таковой, чтобы ни от одного из источников не требовалось более 90% от расчетного (для него) максимального тока.

Подключение источников с разными номиналами может привести к перекосу распределения мощности между блоками и, как следствие, возможной перегрузке какого либо из блоков.

Собираемые в каскады блоки питания должны быть одинаковыми. Ведь в разных блоках могут стоять разные диодные сборки, разные дросселя групповой стабилизации и конденсаторы. Может, даже, в одном блоке стоят дополнительные дроссели по питанию, а в другом - нет. Частоты блоков и текущие длительности импульсов ШИМ, так же, могут отличаться. Всё это определяет выходное сопротивление каждого блока. Если эти сопротивления окажутся сильно разными, то на предельных токах нельзя будет получить равного распределения выходной мощности между блоками. Значит, один блок будет выдавать большее напряжение, чем другой. Перекос мощности, конечно же, скажется на надёжности работы.
Но насколько опасен, такой перекос, сказать трудно, так как слишком от многих факторов он зависит.
Поэтому все же приведем наши блоки к одному общему знаменателю (лучше сразу взять три одинаковых).
​
Совместная работа батарей химических элементов.

Часто рекомендуют при параллельном подключении батареи электрохимических источников использовать включенные последовательно с каждой батареей диоды, которые предотвратят токи перетекания. Но условия равенства их выходного напряжения (максимальной близости) сохраняется. Это особенно важно именно для электрохимических источников питания, которые имеют ограничения по разрядному току. В случае его превышения сокращается ресурс. Схема включения показана на рис. 6.

Здесь необходимо учитывать, что выходное напряжение такой батареи меньше на 0,3 -:- 0,8В (падение напряжения на p-n переходе диода при его прямом смещении) чем у батареи без защитных диодов. Как видно из величины потери напряжения использовать эту схему для параллельного соединения отдельных элементов не экономично. Велики потери мощности.
Диоды так же позволяют использовать горячую замену батареи, поскольку при подключении свеже заряженной батареи диод разряженной просто будет заперт.

Резервирование источников питания

Резервирование источников питания применяется для повышения надежности электропитания жизненно важного и ответственного оборудования: медицинской аппаратуры, серверов, узлов связи, диспетчерских центров и т.п. Для резервирования используются различные схемы соединения источников питания: N+1, 2N, 2N+1. Первый вариант (N+1) используется в модульных ИБП, где резервируется только часть сети питания. Схема резервирования 2N самая надежная, но дорогая. В ней резервируются все источники питания. Для особенно важных приложений используется комбинированная схема резервирования – 2N+1. В таких системах используется горячее резервирование, причем замена резервных блоков производится в режиме «горячей замены» (hotswap) без выключения питания. Для построения надежных систем резервирования питания требуется обеспечить несколько функций: параллельное включение альтернативных источников питания с развязкой, защиту от перегрузок как в процессе работы, так и при горячей смене блоков питания в системе.

Для подключения нагрузки к нескольким источникам питания одновременно с возможностью работы только от одного из них используют технологию ORing.

ORing – это монтажное «ИЛИ» нескольких источников питания для альтернативного питания нагрузки (устройства). По сути это многоканальный коммутатор силовой шины питания, обеспечивающий развязку между источниками питания, малые потери при прохождении тока, безопасное подключение\отключение любого из источников и самой нагрузки. Такая функция используется в источниках бесперебойного питания, устройствах повышенной надежности с резервными источником питания, а также в приборах с автономным (батарейным) питанием, которые периодически подключаются к внешнему ИП.

Обычно для этой функции используются диоды, но им присущи большие потери и отсутствие дополнительных функций мониторинга. При необходимости отключения в случае перегрузки дополнительно потребуется схема измерения тока. На рисунке 6 представлена зависимость мощности потерь от протекающего тока для диодов и полевых транзисторов.

На рисунке 7 показана система питания с горячим резервированием. Два источника питания подключены к нагрузке через развязывающие диоды.

Рис. 6. Зависимость потерь от протекающего тока для диодов и FET-транзисторов

Рис. 7. Простейший вариант питания с горячим резервированием
Ток в штатном режиме протекает по цепям обоих источников. При отказе одного питание нагрузки осуществляется от второго источника.

На рисунке 8 показана простейшая схема коммутации цепей питания мобильного устройства от одного из трех источников питания: сетевого адаптера с выходным напряжением 5.05 В, шины питания USB-порта с напряжением 4.95 В или от трех элементов питания с напряжением 4.5 В. Развязка источников с помощью диодов Шоттки позволяет обеспечить режим приоритетного питания от одного из источников с большим напряжением. Например, при одновременном подключении ко всем трем источникам питания основной ток будет проходить из цепи сетевого адаптера. Ток от батареи в этом случае будет незначительным (всего 50 нА).

Рис. 8. Реализация монтажного «ИЛИ» трех ИП для питания портативного USB-устройства
Однако схема коммутации с исползьованием диодов обладает определенными недостатками:

при больших токах на диодах будет теряться значительная мощность
напряжение питания будет зависеть от величины падения напряжения на диодах
диоды не обеспечивают защиту от высоких пусковых (inrush) токов при подключении к нагрузке.
Применение полевых транзисторов с низким сопротивлением открытого ключа вместо диодов позволяет значительно сократить потери в цепях коммутации. Управление ключами в этом случае должно производиться схемой контроллера коммутации, которая сможет обеспечить безопасные режимы подключения и отключения источников. Кроме того, в этой схеме можно реализовать цепи защиты как от короткого замыкания, так и от пренапряжения/недонапряжения. Через ключи можно обеспечить плавный пусковой ток. При обнаружении опасных событий ключами производится отключение нагрузки. На рисунке 9 показана схема коммутации источников питания (сетевого адаптера или аккумуляторной батареи) посредством ключей полевых транзисторов.

Рис. 9. Монтажное «ИЛИ» двух источников питания через ключи полевых транзисторов
Монтажное «ИЛИ» источников через коммутаторы ORing обеспечивает десятикратное уменьшение потерь энергии на коммутации по сравнению с реализацией функции OR на диодах Шоттки.

Более развернутый материал можно прочитать здесь.