逆流防止保護はこのような逆電流による障害を防ぎ、正常な電源がDCバスを維持できるようにするか、過電流時に安全にシャットダウンできるようにします。パワーORingは、並列DC電源を保護するために推奨される逆流防止方法です。パワーORingは、複数の電源からの電流を結合しながら、逆電流を防止します。
何十年もの間、エンジニアは逆電流保護においてショットキーダイオードやPNダイオードに依存してきました。 しかし、通信、データセンター、産業用DC配電において電流の需要が増加し、効率目標が厳しくなるにつれて、設計者はMOSFETと理想ダイオードコントローラを中心に構築された、より高効率なアクティブORingソリューションへと移行しつつあります。
ダイオードORing： シンプルな設計だが、より大きな導通損失
ダイオードORing回路では、各電源と直列にダイオードを配置し、カソードを共通の出力に接続します。 各ダイオードは、その電源電圧がバス電圧以上になると導通し、電源電圧がバス電圧を下回った場合は逆電流をブロックします。このシンプルな設計は、低消費電力システムやコスト重視のシステムに適しています。
欠点は電力損失です。 ショットキーダイオードは通常、定格電流時に0.35V〜0.6Vの順方向電圧降下を示します。 P-Nダイオードでは1V以上降下する場合があります。 この電圧降下は直接的な電力損失につながります。 例えば、10Aの電流において、5Vのレールでは0.45Vのショットキーダイオードは4.5Wの電力を消費します。これは、保護回路単体で9%の効率低下を意味します。電流が大きくなるにつれて損失は直線的に増加し、熱負荷が高まります。
欠点は電力損失です。ショットキーダイオードは通常、定格電流時に0.35V〜0.6Vの順方向電圧降下を示します。 P-Nダイオードでは1V以上降下する場合があります。この電圧降下は直接的な電力損失につながります。例えば、10Aの電流において、5Vのレールでは0.45Vのショットキーダイオードは4.5Wの電力を消費します。これは、保護回路単体で9%の効率低下を意味します。電流が大きくなるにつれて損失は直線的に増加し、熱負荷が高まります。
アクティブORing： MOSFETベースの逆電流保護
アクティブORingは、各ダイオードを理想ダイオードコントローラによって駆動されるNチャネルMOSFETに置き換えます。 このコントローラは、ドレイン・ソース間電圧（VDS）を監視し、ソース側が電力を供給している間、MOSFETを完全にオンの状態に保ちます。 逆電流障害が発生した場合、MOSFETを急速にオフに切り替えます。
MOSFETの電力損失は、ダイオードの両端の特定の電圧降下ではなく、そのRDS（on）パラメータに起因します。 したがって、導通損失が劇的に低減されます。 例えば、ショットキーと同じ10Aを流す3mΩのRDS（on）を持つパワーMOSFETの消費電力はわずか0.3Wで、順方向電圧降下は約30mVです。 これは一桁以上の改善です。 導通損失の低減により熱的余裕が直接向上し、これによりヒートシンクとエアフローの要件が緩和され、基板スペースが確保され、レールのレギュレーションが強化され、より大きな電流の処理が可能になります。また、アクティブORingでは、自動障害検出およびアラートも実現可能になります。
アクティブORingの主な利点：
- 電圧降下の大幅な低減
- 自動障害検出およびアラート
- 優れた熱性能
効率的な電力経路制御のための理想ダイオードコントローラ
理想ダイオードコントローラは、すべてのアクティブORingソリューションにおいて重要です。 MOSFETのゲートを制御して順方向電圧降下を最小限に抑える（軽負荷時に通常15mV〜30mV）ことで、ほぼ完璧なダイオードの挙動をエミュレートします。 RECOM
RACPRO1-RD シリーズをはじめ、ほとんどのアクティブORingコントローラは以下の特徴を備えています。
- 高速逆電流検出およびターンオフ（標準100～200ns）
- 低順方向電圧降下（標準15mV～140mV）
- 低電圧および過電圧保護
- ステータス出力および逆電流障害フラグ
- オプションの定期的なMOSFETのヘルスチェック
応答時間が短いため、突然の電源喪失、ホットプラグイベント、および下流の障害に対しても堅牢なパフォーマンスを発揮します。 アクティブORingは、ダイオードORingよりも優れた診断機能と低損失を備え、高速で効率的な保護を提供します。
アクティブORingとダイオードORingの並列比較
| 順方向電圧降下 |
定格電流時に0.35V～0.6V |
15mV～140mV、電流に応じて変化 |
| 10A時の電力損失 |
~4.5W |
~0.3W |
| 熱管理 |
通常、ヒートシンクとエアフローが必要 |
多くの場合、パッシブ冷却で十分 |
| 逆電流ターンオフ |
数十〜数百ナノ秒 |
約100ns〜200ns＋FET遅延 |
| 故障診断 |
標準ではなし |
ステータスピン、フラグ、オプションのセルフチェック |
| 部品点数 |
電源ごとにダイオード1個 |
各チャネルにつきコントローラとMOSFET、または2電源につき内蔵モジュール（RD40） |
| 最適な用途 |
低消費電力でコスト重視の低電流レール |
高電流、高効率の冗長システム |
表1。 ダイオードORingとアクティブORingの比較。
最新のデータセンター、通信設備、および産業施設では、電源機器に最大限の効率が求められます。 数百または数千のユニットを展開することで、効率向上による電力の節約がさらに増幅されます。こういった環境では、MOSFETベースのアクティブORingが最適な選択肢です。 数百mWの損失が問題にならず、基板面積に余裕がある低電流の民生機器または計装用レールにおいては、多くの場合、依然としてショットキーダイオードが最適なソリューションです。
RACPRO1-RD40 モジュールは、高効率のゲーティングダイオードとして構成された制御回路を備えた、一対のMOSFETを統合しています。 40A時において、同等のショットキーORing回路による損失が約18Wであるのに対し、RACPRO1-RD40の導通損失は5Wに抑えられます。
主な仕様：
- 広範囲の入力電圧：9～56V（公称12/24/48V）
- N+1冗長動作（全負荷容量を持つN台の電源に1台の冗長電源が追加される構成）で各チャネル20A
- 並列電流共有モードで連続40A（5秒間60Aピーク）
- 最大順方向電圧降下： 全負荷時140mV
- 40Aで約99.5%の効率
- -40°C〜+70°Cで自然空冷対応
- 約200〜400mWの無負荷時消費電力
RACPRO1-RD40 モジュールはさらに、幅43mmのDINレール、工具不要の取り付け、25°プッシュインコネクタという特長も備えています。 その結果、専用の銅配線や特注の留め具、あるいは個別の熱対策を必要とせず、冗長化ステージを既存のパネルに組み込むことができます。 このモジュールは、IEC/EN/UL/CSA 62368-1の認証を取得しており、EN 61000-6-4 Class BのエミッションおよびEN 61000-6-2のイミュニティに適合しています。
