在设计高可靠性计算机系统时，需要其配套电源进行冗余设计。一般来说，可采用的方案包括容量冗余、冗余冷备份、并联均流N+1备份模式，冗余热备份模式。
容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，即大马拉车。其缺点是不利于提高电源效率，对提高电源的可靠性意义不大。
冗余冷备份模式是指电源由两个或两个以上功能相同的单元模块组成。电源启动后，其中一个单元模块向设备供电。当工作单元出现故障时，备份单元立即启动向设备供电。该方法的缺点是备份单元的启动需要一定的时间才能建立输出电压，容易造成输出电压的大间隙，这将影响供电设备。
并联均流的N+1备份模式是指由多个功能相同的单元组成的电源。所有单元的输出功率之和大于系统所需的功率。每个单元的输出通过或门二极管并联。有时输出采用均流控制电路，这是目前更常用的方法。N+1备份模式一般不会影响输出电压，因为多个单元同时向设备供电，但如果输出线故障容易影响所有单元。
冗余热备份模式是指电源由多个功能相同的单元组成。当电源启动时，所有单元同时工作，预设单元向设备供电。备份单元处于空载状态。当向设备供电的单元出现故障时，备份单元立即向设备供电，以保持输出电压的稳定性。这种方法的优点是备份单元输出响应速度快，可以保证输出电压只在很小的范围内波动。
本文详细论述了采取冗余热备份方式的电源设计方案。
1 工作原理
冗余热备份结构的主电路由两个功能相同、同时工作的单元组成，由切换电路控制，一路向设备供电，另一路空载。当向设备供电的单元出现故障时，切换电路立即移动，使另一个单元向设备供电，切断故障单元的输出。
主电路拓扑采用输入滤波电路、功率变换电路、控制电路、输出滤波电路、监切换电路组成。电源框图如图1所示。DC 28V输入过滤波后提供给功率变换电路，通过实时检测控制功率变换电路，实现输出隔离稳定5V过压和过流保护输出电压。
图1 电源框图
冗余热备份功能由输出监控和切换开关实现。在正常情况下，两个单元之一向设备供电。当发生故障时，另一个热备份单元立即向设备供电，并切断故障单元的输出。如果两个单元的输出监控电路同时发生故障，两个单元同时向设备供电，因为每个单元的输出端连接或门二极管，这是电源输出并联下的备份。
2 监测和切换功能的电路
工作单位的故障判断是一种冗余热备份电源。如果传感器设置在电源的每个可能故障点，通过智能芯片或分立芯片组进行故障判断，然后进行相应的开关控制，则会增加整个电源的复杂性，故障检测判断部分的可靠性不一定高于电源本身。由于电源的主要故障反映在输出电压上，故障判断的标准是监测工作单元的输出电压是否在设定范围内。如图2所示。
图2 输出监测、切换电路原理图
图2中R18、R19、V10、D1组成单元1的5V输出切换开关，D导通，单元15V输出被切断；R018、R019、V010、D01组成单元2的5V输出切换开关的功能与单元1相同。R34、R35、R33、AJ4(TL431)、R20＊、R22、C20、R21＊、AJ2(TL431)、D2、R24、R23、C21、V13、R30实现单元1的输出电压监测和控制单元2的输出开关功能：当单元1的输出电压高于或低于设定的电压范围时（调整R34、R35、R20＊、R21*电阻值可改变设定的电压范围)，光耦D2脚1和2不流过电流，使其不流过电流D脚4、5截止，V13基极电压变低，D01脚1和2不流过电流，打开单元2的开关开关，单元2向设备输出电压。同时，当单元2的输出电压在设定的电压范围内（调整）R034、R035、R020＊、R光耦合D02脚1、2流过电流，使D02脚4、5导通，V013基极电压变高，D01脚1和2流过电流，切断单元1的切换开关，单元1不向设备输出电压。同样，单元2中对称位置的元件实现了与单元1中相同的输出电压监测和控制单元1输出开关的功能。同样，单元2中对称位置的组件实现了与单元1中相同的输出电压监测和控制单元1输出开关的功能。通过设置C21和C021电容值设置电源启动时哪个单元先向设备供电。D2、D02脚4、5会有极短的导通，C21、C021电容值小的单元首先切断另一个单元向设备供电的通道。从图2可以看出，如果单元1先输出正确的电压，则关闭单元2的输出；单元1的输出电压不正确，单元2的输出开关向设备打开，并切断单元1的输出电压。反之亦然。
3 实验结果
用示波器观察两个单元的输出端，可以观察单元1向设备的输出电压，单元2不向设备输出电压；断开单元1的输入电压可以观察到输出电压没有变化，由单元2向设备供电。如果输入电压先提供给单元2，再提供给单元1，然后断开单元2的输入电压，情况相同。
图3显示，当工作单元因故障或电压下降时，备份单元立即向设备供电，输出电压为10ms恢复到标准值不会导致计算机重启。
图3 切换波形
4 小结
本文提出了一种实现冗余热备份电源的方法，其电路简单，有利于提高电源的整体可靠性。但在大功率应用中，应仔细选择切换开关，以减少其对输出电压的影响，并考虑采用多点输出电压反馈来补偿切换开关对输出电压的影响。