| 本文作者：
Pinkesh Sachdev
凌力爾特公司 混合信號(hào)產(chǎn)品 產(chǎn)品市場(chǎng)工程師
引言
為了實(shí)現(xiàn)容量可擴(kuò)展性和模塊化，諸如服務(wù)器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、企業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)路由器等系統(tǒng)都內(nèi)置了很多插槽，以容納多個(gè)處理和 I/O 板卡。為了確保高可用性和運(yùn)行時(shí)間，需要系統(tǒng)具備熱插拔能力，這樣板卡插入和拔出時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)才不會(huì)斷電。為了進(jìn)一步提高可靠性，需要并聯(lián)連接多個(gè)電源模塊，以確保任一電源發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)都能繼續(xù)運(yùn)行�？梢岳眯ぬ鼗β识䴓O管以二極管“或”方式并聯(lián)電源。有些系統(tǒng)以“或”方式并聯(lián)相同的電源，有些則“或”連接備份電池、輔助維護(hù)電源或電容器組。在后者所述情況下，僅當(dāng)主電源不可用時(shí)才需要備份電源。另外，二極管與輸出端的保持電容器相結(jié)合，以在電源電壓過(guò)低時(shí)實(shí)現(xiàn)穿越。
當(dāng)電流值高于幾安培時(shí)，肖特基二極管消耗大量功率，每流過(guò) 1A 電流大約消耗 0.5W，而且在二極管兩端產(chǎn)生壓降，對(duì)于 3.3V 至 5V 的較低電壓電源而言，電壓是寶貴資源。而用低電阻 MOSFET 開關(guān)和控制器構(gòu)成的理想二極管則可降低功耗和壓降達(dá) 10 倍或以上，因此無(wú)需散熱器，并節(jié)省了電路板面積。在有些配置方式中，理想二極管控制器已經(jīng)與熱插拔 (Hot SwapTM) 控制器相集成，旨在為高可用性系統(tǒng)中遇到的各種不同熱插拔和“或”連接情況提供緊湊的解決方案。
電源模塊的“或”連接，在負(fù)載板卡上進(jìn)行熱插拔
有些高可用性系統(tǒng)在背板上有多個(gè)電源模塊，通過(guò)電源總線向系統(tǒng)中的所有負(fù)載板卡提供電源輸出 (圖 1a)。當(dāng)電源模塊插入帶電的電源總線時(shí)，熱插拔 (圖中用開關(guān)表示) 和二極管控制都需要。當(dāng)?shù)谝粋�(gè)模塊插入時(shí)，熱插拔控制器軟啟動(dòng)電源總線，使大容量電容器的電流緩慢上升至安全值。當(dāng)?shù)诙䝼�(gè)模塊插入已供電的總線時(shí)，如果該模塊的電壓低于總線電壓，理想二極管控制確保不出現(xiàn)反向饋送。另一方面，如果第二個(gè)模塊的電壓高于總線電壓，那么熱插拔控制確保安全的浪涌電流值。熱插拔控制器還提供行動(dòng)迅速的電流限制，此外，電源本身還有電流限制。每個(gè)負(fù)載板卡都具備熱插拔能力，因?yàn)檫@些板卡共享一個(gè)通用電源總線。
LTC4229 是一款 2.9V 至 18V 單電源理想二極管和熱插拔控制器 (圖 1b)，可用在如圖 1a 所示的插入式電源模塊上。其 2.9V 至 18V 工作電壓范圍適合 3.3V、5V 和 12V 電源。該器件控制所有 N 溝道 MOSFET，以降低從輸入到輸出的電壓降和功耗。與無(wú)源二極管和保險(xiǎn)絲不同，LTC4229 提供多種電源狀態(tài)輸出。
圖 1a：在背板上“或”連接的電源模塊
圖 1b：LTC4229：用于電源“或”連接和電壓保持應(yīng)用的單個(gè)理想二極管和熱插拔控制器
在負(fù)載板卡上實(shí)現(xiàn)“或”連接和熱插拔
圖 1a 拓?fù)渥畲笙薅冉档土顺杀�，因�(yàn)樨?fù)載板卡僅需要采用熱插拔控制。這種配置方式的缺點(diǎn)是，背板上的二極管必須很大，以支持整個(gè)系統(tǒng)的電流，因此更容易出故障。二極管一出故障，整個(gè)系統(tǒng)的電源通路就都不能工作了，而且甚至有可能在另一個(gè)電源出故障之前，一直注意不到這一情況，從而導(dǎo)致可靠性降低。一種更加可靠的方法是，結(jié)合饋送在每個(gè)負(fù)載板卡上的兩個(gè)電源，如圖 2 所示。板卡上的二極管電流較低，而且任何二極管故障都只影響那個(gè)特定的板卡。
凌力爾特的 LTC4227 包括雙理想二極管“或”電路和其后的一個(gè)熱插拔控制器 (圖 2b)，為負(fù)載板卡電源“或”連接和熱插拔提供了一款緊湊的解決方案。理想二極管“或”電路 (D1 和 D2) 用電壓較高的電源給板卡供電，同時(shí)熱插拔控制器管理浪涌電流，并利用電流限制電路斷路器以提供短路保護(hù)。
圖 2a：電源在負(fù)載板卡上實(shí)現(xiàn)“或”連接
圖 2b：LTC4227：雙理想二極管“或”和單熱插拔控制器在負(fù)載板卡上實(shí)現(xiàn)電源“或”連接的應(yīng)用
電源模塊的“或”連接和熱插拔
圖 2a 拓?fù)湫枰谪?fù)載板卡上實(shí)現(xiàn)電源“或”連接，因此增加了每個(gè)負(fù)載板卡的成本。既然系統(tǒng)中的負(fù)載板卡通常比電源模塊多，那么簡(jiǎn)化負(fù)載板卡是有益的。圖 3a 拓?fù)洳捎冕槍?duì)每個(gè)負(fù)載板卡提供獨(dú)立輸出的電源模塊，既實(shí)現(xiàn)了高可用性，又簡(jiǎn)化了負(fù)載板卡。每個(gè)輸出通路都有一個(gè)二極管和浪涌控制開關(guān)。輸出為每個(gè)負(fù)載板卡在背板上結(jié)合。負(fù)載板卡的簡(jiǎn)化以電源模塊的成本和復(fù)雜性提高為代價(jià)。
用于圖 3a 拓?fù)渲械?LTC4228 是一款雙路理想二極管和熱插拔控制器 (圖 3b)，面向具多個(gè)輸出的 2.9V 至 18V 電源模塊，例如µTCA 系統(tǒng)中的多個(gè) 12V 輸出，或 PCI Express 系統(tǒng)中的 12V 和 3.3V 輸出。
圖 3a：為每個(gè)負(fù)載板卡提供獨(dú)立“或”輸出的電源模塊
圖 3b：LTC4228：面向多個(gè)電源“或”連接和電壓保持應(yīng)用的雙理想二極管和熱插拔控制器
電源電壓得以保持
有些電源會(huì)經(jīng)歷短暫的電壓過(guò)低情況，持續(xù)時(shí)間從幾百微秒到許多毫秒。就共享背板電源而言，這種情況可能發(fā)生在負(fù)載板卡接通時(shí)，也可能發(fā)生在電源總線在“或”連接的電源之間切換時(shí)。為了使負(fù)載板卡穿越這種情況，在電源通路中的板卡輸入端插入一個(gè)理想二極管 (圖 4)。當(dāng)輸入電源下降時(shí)，二極管使電源通路開路，這樣任何電流都無(wú)法流回背板。板卡繼續(xù)用二極管輸出端的大容量電容器給自身供電，直到輸入電源恢復(fù)為止。
圖 4：用串聯(lián)二極管和輸出電容器使電源電壓得以保持
LTC4229 放置在電源接入點(diǎn)與板卡之間時(shí)，可保持電源電壓。為了防止熱插拔控制器由于欠壓狀況而斷電，理想二極管放置在熱插拔控制器之前，如圖 1b 所示。如果需要，LTC4229 也允許熱插拔控制器放置在理想二極管控制器之前。該器件足夠靈活，熱插拔和理想二極管控制可以獨(dú)立地用于單獨(dú)的電源。LTC4228 為兩個(gè)單獨(dú)的電源提供電壓保持。
電源優(yōu)先順序
當(dāng)“或”連接的電源類型不同時(shí)，其中之一通常是備份電源，可能是電池、低電流輔助電源或電容器組 (在主電源不可用時(shí)供電)。主電源的優(yōu)先級(jí)比備份電源高，但主電源的電壓未必是兩個(gè)電源中較高的，因此不能用簡(jiǎn)單的二極管連接他們。這是一種優(yōu)先級(jí)排序器應(yīng)用：根據(jù)優(yōu)先級(jí)而不是電壓高低選擇電源。
當(dāng)備份電源電壓高于主電源電壓時(shí)，只要主電源可用，就需要防止備份電源給輸出供電。這種情況如圖 5 所示，圖中采用了 LTC4229 和 LTC4352 理想二極管控制器。只要主電源電壓高于 4.7V (由 R6-R7-R8 分壓器設(shè)定)，LTC4229 就控制背對(duì)背 MOSFET (MD1 作為開關(guān)，MD2 作為理想二極管) 來(lái)防止 12V 電池給輸出供電。當(dāng)主電源降至低于 4.7V 時(shí)，LTC4229 就接通 MD1 和 MD2，用 12V 備份電池供電。
圖 5：采用 5V 主電源 (第一優(yōu)先級(jí)) 和 12V 備份電池 (第二優(yōu)先級(jí)) 的優(yōu)先級(jí)排序器應(yīng)用
結(jié)論
高可用性系統(tǒng)需要熱插拔和二極管控制，以結(jié)合多個(gè)電源提供冗余和可靠性。LTC4227、LTC4228 和 LTC4229 提供不同的配置方式，這些配置方式適合需要電源“或”連接或電源電壓得以保持的各種部位：電源側(cè)或負(fù)載板卡側(cè)。這些控制器與其他獨(dú)立理想二極管和熱插拔控制器相結(jié)合，可滿足電源優(yōu)先級(jí)排序以及其他定制應(yīng)用需求。 |
