面向高可用性系統的理想二極體和熱插拔控制

引言
     為 了 實 現 容 量 可 擴 展 和 模 塊 化 ， 服 務 器 、 工 業 計 算 機、企業數據存儲系統和網絡路由器等系統都內置了很多插 槽，以容納多個處理和 I/O 板卡。為了確保高可用性和運行 時間，系統需具備熱插拔能力。這樣，板卡插入和拔出時， 整個系統才不會斷電。為了進一步提高可靠性，需要並聯多 個電源模塊，以確保任一電源發生故障時系統仍能繼續運 行。可以利用肖特基功率二極體以 「或
」方式並聯電源。 有些系統以「或」方式並聯相同的電源，有些則「或」連接 備份電池、輔助維護電源或電容器組。在後者所述情況下， 僅當主電源不可用時才需要備份電源。另外，二極體與輸出 端的保持電容器相結合，可以實現電源低電壓穿越。       當 電 流 值 高 於 幾 安 培 時 ， 肖 特 基 二 極 管 消 耗 大 量 功 率，每流過 1A 電流大約消耗 0.5W，而且二極體兩端會產生 壓降，對於 3.3V - 5V 的較低電壓電源而言，電壓是寶貴資 源。採用低導通電阻 MOSFET和控制器構成的理想二極體可 將功耗和壓降降低 10 倍或以上，因此無需散熱器，節省了 電路板面積。在有些配置方式中，理想二極體控制器已經與

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/345519.htm

圖1a    在背板上「或」連接的 電源模塊

圖1b    LTC4229：用於電源「或」連接和電壓保持應用 的單個理想二極體和熱插拔控制器
熱插拔 (Hot SwapTM) 控制器相集成，旨在為高可用性系統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。

1  電源模塊的「或」連接，在負載板卡上進行

    熱插拔有些高可用性系統在背板上有多個電源模塊，通過電 源總線向系統中的所有負載板卡供電 (圖 1a)。當電源模塊 插入帶電的電源總線時，需要實現熱插拔 (圖中用開關表 示) 和二極體控制。插入第一個模塊時，熱插拔控制器軟啟 動電源總線，使大容量電容器的電流緩慢上升至安全水平。 向已供電的總線插入第二個模塊時，如果該模塊的電壓低於 總線電壓，理想二極體控制確保不出現反向饋送。如果該模 塊的電壓高於總線電壓，熱插拔控制確保浪湧電流可控。熱 插拔控制器還實現快速的電流限制。此外，電源本身也有電 流限制。每個負載板卡都具備熱插拔能力，因為這些板卡共 享一個通用電源總線。LTC4229 是一款 2.9V 至 18V 單電源理 想二極體和熱插拔控制器 (圖 1b)，可用在 如圖 1a 所示的插入式電源模塊上。其 2.9V 至 18V 工作電壓範圍適合  3.3V、5V 和 12V 電源。該器件控制所有 N 溝道 MOSFET， 以降低輸入到輸出的壓降和功耗。與無源二 極管和保險絲不同，LTC4229 提供多種電源狀態輸出。
2  在負載板卡上實現「或」連接和熱插拔
因為負載板卡僅需要熱插拔控制，圖 1a 拓撲最大限度 降低了成本。這種配置方式的缺點是，背板上的二極體必須 很大，以承載整個系統的電流，因此更容易出故障。二極體 一旦出現故障，整個系統的電源通路都不能工作，而且有可 能在另一個電源出故障之前，一直注意不到這一情況，從而 降低可靠性。一種更加可靠的方法是，在每個負載板卡上並 聯兩個電源，如圖 2 所示。板卡上的二極體電流較低，而且
任何二極體故障都只影響那個特定的板卡。凌力爾特的 LTC4227 包括雙理想二極體「或」電路和 一個熱插拔控制器 (圖 2b)，為負載板卡電源「或」連接和 熱插拔提供了一款緊湊的解決方案。理想二極體「或」電路 (D1 和 D2) 用電壓較高的電源給板卡供電，熱插拔控制器管 理浪湧電流，並利用電流限制電路斷路器實現短路保護。

3 電源模塊的「或」連接和熱插拔
圖 2a 拓撲需要在負載板卡上實現電源「或」連接，因 此增加了每個負載板卡的成本。系統中的負載板卡通常比電 源模塊多，因此簡化
負載板卡是有益的。 圖 3 a 拓撲針對每個 負載板卡提供獨立輸 出的電源模塊，既實 現了高可用性，又簡化了負載板卡。每個輸出通路都有一個二 極 管 和 浪 湧 控 制 開 關。在背板上為每個 負載板卡並聯輸出通 路。負載板卡的簡化 以電源模塊成本和復 雜性的提高為代價。 用於圖 3a 拓撲中的 LTC4228 包含雙 路理想二極體和熱插 拔 控 制 器 ( 圖 3 b) ，可用於具多個  2.9V 至 18V 輸出的電源模塊，例如µTCA 系統 中的多個 12V 輸出，或 PCI Express 系統中的 12V 和 3.3V 輸出。

圖2a  電源在負載板卡上實現「或」連接

圖2b LTC4227：雙理想二極體「或」 和單熱插拔控制器在負載板卡上實現電源 「或」連接的應用

4  保持電源 電壓
     有 些 電 源 會經歷短暫的電 壓過低情況，持 續時間從幾百微 秒到若干毫秒。 就 共 享 背 板 電 源而言，這種情 況可能發生在負 載板卡接通時， 也可能發生在電 源總線在「或」 連接的電源之間 切換時。為了使 負載板卡實現低 電 壓 穿 越 ， 在 電 源 通 路 中 的 板 卡 輸 入 端 插 入 一 個 理 想 二 極 管 ( 圖 4 ) 。 當 輸 入 電 源 下 降 時 ， 二 極 管
使 電 源 通 路 開路，這樣任何電流都無法流回背板。板卡繼續用二極體輸出 端的大容量電容器給自身供電，直到輸入電源的電壓恢復為 止。LTC4229 放置在電源接入點與板卡之間，可保持電源 電壓。為了防止熱插拔控制器由於欠壓狀況而斷電，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體控制器之 前。該器件足夠靈活，熱插拔和理想二極體控制可以獨立用 於不同電源。LTC4228 為兩路電源提供電壓保持。

5 電源優先順序
當「或」連接不同類型的電源時，通常會採用備份電 源，可能是電池、低電流輔助電源或電容器組 (在主電源不可用時供電)。主電源的優先級比備份電源高，但主電源的電壓未必是兩個電源中較高的，因此不能用普通的二極體連接他們。這是一種優先級排序器應用：根據優先級而不是電壓高 低選擇電源。

圖3a   為每個負載板卡提供獨立「或」輸出的 電源模塊

圖3b   LTC4228：面向多個電源「或」連接和 電壓保持應用的雙理想二極體和熱插拔控制器

圖4  用串聯二極體和輸出電容器使電源電壓得以 保持
     當 備 份 電 源 電 壓 高 於 主 電 源 電 壓 時 ， 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，圖中採用了 LTC4229 和 LTC4352 理想二極體控制 器。只要主電源電壓高於 4.7V (由 R6-R7-R8 分壓器設定)， LTC4229 就控制背對背 MOSFET (MD1 作為開關，MD2 作 為理想二極體)防止 12V 電池向輸出供電。當主電源降至低 於 4.7V 時，LTC4229  就接通 MD1 和 MD2，用 12V 備份電池供電。

6 結論
     高可用性系統需要熱插拔和二極體控制，以結合多個 電源提供冗餘和可靠性。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 或保持電源電壓的各種場景：電源側或負載板卡側。這些控制器與其他獨立理想二極體和熱插拔控制器相結合，可滿足 電源優先級排序以及其他定製應用需求。

圖5  採用 5V 主電源 (第一優先級) 和 12V 備份電池 (第二優先級) 的優 先級排序器應用