直流防逆流:有源 ORing 与二极管 ORing 对比

蓝色 RECOM RACPRO1 RD40 导轨安装冗余模块
在工业直流电源控制柜中,将多台同型号同规格的 DIN导轨式电源并联使用,是提升输出电流容量或增加冗余度的常用方法。尽管该方法安全且高效,但必须防止意外的反向电流故障。若某台并联电源出现低压输出或短路故障,正常工作的电源会将电流反向灌入故障设备。此时故障电源会变成额外的电流负载,不仅可能因反向电流进一步损坏,还可能导致整个母线供电崩溃。

防逆流保护可避免此类反向电流故障,让正常电源维持直流母线供电,或在过流时安全停机。电源 ORing是直流并联电源防逆流的优选方案,它在合并多路电源电流的同时,能有效阻断反向电流。

数十年来,工程师一直采用肖特基二极管或 PN 结二极管实现反向电流保护。但随着电信、数据中心及工业直流配电领域对电流需求不断提升、效率要求日趋严格,设计人员正越来越多地选用基于MOSFET 与理想二极管控制器的高效有源 ORing 方案。
Schottky diode and RACPRO1-RD40 redundancy circuit comparison
图 1:简易肖特基 ORing 电路(左侧 A)与更高效率的基于 MOSFET 的 ORing 模块(右侧 B)

二极管 ORing:设计简洁,但导通损耗较高

二极管 ORing 电路在每路电源输入端串联一只二极管,所有二极管的阴极连接到公共输出端。当某路电源电压等于或高于母线电压时,该路二极管导通;当该路电源电压低于母线电压时,二极管关断并阻断反向电流。这种简洁设计适用于低功耗、成本敏感的系统。

其主要缺点是功率损耗大。肖特基二极管在额定电流下的正向压降通常为0.35V~0.6V,PN 结二极管压降可超过 1V。该电压降会直接转化为功率损耗。例如在 5V 母线、10A 电流下,一只 0.45V 的肖特基二极管功耗可达 4.5W,仅保护电路就会造成9% 的效率损失。随着电流增大,损耗呈线性上升,散热压力显著增加。

为控制结温,往往需要更大封装、加大覆铜面积或强制风冷。每一项散热措施都会增加成本、占用 PCB 空间,并引入更多潜在故障点。此外,二极管 ORing 方案几乎不具备故障诊断能力,二极管老化或短路通常无法被提前检测,直到冗余电源路径失效时才会暴露问题。
二极管 ORing 优点:
  • 结构极其简单
  • 无需控制器、栅极驱动或辅助电源
  • 元器件数量少、成本低
二极管 ORing 缺点:
  • 正向压降:0.35V~0.6V
  • 压降直接造成功率损耗
  • 需要散热处理并占用 PCB 空间

有源 ORing:基于 MOSFET 的反向电流保护

有源 ORing 采用理想二极管控制器驱动的 N 沟道 MOSFET,替代传统二极管。控制器实时监测 MOSFET 的漏源电压(VDS),在该路电源正常供电时保持 MOSFET 完全导通;一旦发生反向电流故障,会迅速关断MOSFET。

MOSFET 的功率损耗由其导通电阻 RDS (on) 决定,而非二极管的固定正向压降,因此导通损耗大幅降低。例如,导通电阻为 3mΩ 的功率 MOSFET 在 10A 电流下,功耗仅 0.3W,正向压降约 30mV,性能提升超过一个数量级。更低的导通损耗直接提升散热裕量,减少散热器与风冷需求、节省 PCB 空间、优化母线稳压精度,并支持更大电流输出。有源 ORing 还可实现自动故障检测与报警。

有源 ORing 核心优势:
  • 正向压降显著更低
  • 自动化故障检测与报警
  • 热性能更优异

理想二极管控制器:用于高效电源路径控制

理想二极管控制器是所有有源 ORing 方案的核心部件。它通过调控 MOSFET 栅极,模拟出近乎完美的二极管特性,实现极低的正向压降(轻载时通常为 15mV 至 30mV)。 包括 RECOM RACPRO1-RD 系列在内,主流有源 ORing 控制器均具备以下特性:

  • 反向电流快速检测与关断(典型值 100–200ns)
  • 低正向压降(典型值 15mV 至 140mV)
  • 欠压与过压保护
  • 状态输出与反向电流故障标志
  • 可选的 MOSFET 周期性健康检测

极快的响应速度,可在电源突然掉电、热插拔或下游故障时提供可靠保护。有源 ORing 相比二极管 ORing,保护更快、效率更高,具备诊断功能且损耗更低。

有源 ORing 与二极管 ORing 逐项对比

参数 二极管 ORing(肖特基) 有源 ORing(MOSFET + 控制器)
正向压降 正向压降 额定电流下 0.35V–0.6V 15mV–140mV,随电流变化
10A 时功耗 约 4.5W 约 0.3W
散热管理 通常需散热器 + 风冷 多数情况被动散热即可
反向电流关断速度 几十至几百纳秒 约 100–200ns(含 MOSFET 延迟)
故障诊断 无原生支持 状态引脚、故障标志、可选自检
元器件数量 每路一只二极管 每路控制器 + MOSFET,或集成模块(如 RD40)每两路一套
适用场景 低功率、成本敏感、小电流母线 大电流、高效率冗余系统
表1: 二极管 ORing 与有源 ORing 的比较

选择合适的直流防逆流方案

现代数据中心、通信设备、工业场景对电源效率要求极高,成百上千台设备部署会放大效率收益,基于 MOSFET 的有源 ORing是这类场景的优选。而对于小电流消费电子或仪表母线,几百毫瓦损耗可忽略、空间充足时,肖特基二极管仍是合适选择。
选择有源 ORing 的场景:
  • 高效率、低发热为关键要求
  • 单路电流>10A–15A
  • 需要自诊断、高可用性与长期可靠性
选择二极管 ORing 的场景:
  • 负载电流小(<10A)
  • 优先追求简单与低成本
  • 散热裕量充足

RECOM RACPRO-1 冗余模块

RACPRO1-RD40 模块集成一对 MOSFET 与控制电路,构成高效门控二极管。40A 时,该模块导通损耗仅 5W,而同规格肖特基 ORing 电路损耗约 18W。

关键参数:
  • 宽输入电压:9–56V(标称 12/24/48V)
  • N+1 冗余模式:单路 20A
  • 并联均流模式:连续 40A(峰值 60A/5s)
  • 最大正向压降:满载 140mV
  • 最大正向压降:满载 140mV
  • 自然风冷:-40℃至 + 70℃
  • 空载功耗:约 200–400mW

模块宽度 43mm,支持导轨免工具安装与 25° 推入式连接器,可直接接入现有机柜,无需额外覆铜、紧固件或散热方案。产品通过 IEC/EN/UL/CSA 62368-1 认证,满足 EN 61000-6-4 B 类辐射与 EN 61000-6-2 抗扰度要求。
应用
  系列
1 RECOM | RACPRO1-RD Series | AC/DC, DIN-Rail, Single Output
重点
  • 纤薄型设计(宽 43 mm),配备 25° 推入式连接器
  • 快速免工具安装与拆卸
  • 宽直流输入电压范围 9-56V
  • 适配 12 伏、24 伏及 48 伏电源系统