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功率技術/新能源  

伺服器備用電源供應器設計解析

上網時間: 2007年07月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:備用電源  電源供應器  MOSFET 

備用電源是高可靠度系統的關鍵組成元件。在最簡單的方案中,兩個電源供應器可透過二極體或Oring二極體提供負載給輸出。如此一來,兩個電源供應器可以均勻的分擔負載,或是一個處於作用中,另一個處於待命狀態。場效電晶體(FET) ORing控制器因可避免二極體壓降、功率損耗與散熱等問題,是個更為實際的方案。使用電壓耗損低的MOSFET可以設計出更經濟且具創意的系統。本文將討論伺服器應用的備用電源供應器範例。

伺服器的備用電源技術

高可靠度系統的電源供應器通常架構於ORing或冗聯式(N+1)組態,或是結合二者的設計。由於正向壓降與散熱問題,二極體通常不用於低電壓、高電流應用中,FET ORing是較受偏好的技術。不過,整合型與分散式設計的MOSFET控制器本身也存在不少問題。

如圖一,控制器監測跨MOSFET的差動電壓VAC。控制器透過VAC來設定MOSFET的閘極電壓。MOSFET開/關的實際切換點(switch point)電壓,以及控制的方法與速度,決定控制器模擬二極體時的性能與穩定性。

TPS2410控制器則是專門針對伺服器應用所設計。伺服器負載的特性是低電壓、相對穩定的高電流。因此輸入逆電流到故障的電源供應器中是不被接收的情況。以下是備用電源供應器組態的一些例子。範例圖採用圖1中顯示的方塊二極體符號,做為N-通道MOSFET與控制器的速簡標記。

圖1:方塊二極體為控制器與MOSFET的速簡標記。
圖1:方塊二極體為控制器與MOSFET的速簡標記。

OR組態

圖2顯示簡單的ORing電源供應器,一般而言,刀鋒伺服器的主要電源匯流排為正12V。縱使CPU核心電壓一般都低到0.8到1.8V之間,其他電源軌(power rail)的OR也以相同方式佈線。電腦核心電壓低到難以使用二極體。

範例中的元件位置並未指定。設計人員可以分割系統,將ORing電路放在電源供應器或刀鋒伺服器上。

圖2:簡單的電源供應器OR。
圖2:簡單的電源供應器OR。

平行MOSFET

控制器的閘道的截止電流足以驅動多個MOSFET閘極。針對高電流應用,MOSFET可以平行連接,或是以背對背連接方式,來排除MOSFET基體(body)的二極體效應。平行連接的MOSFET在相同零件編號裝置之間,還是會有稍許的參數差異,當平行運作時,並不會平均地分散負載。其間的差異在導通時比穩定狀態時更大。常見的情況是其中一個MOSFET搭載大多數的啟動電流。常見的MOSFET元件選擇此處依舊適用,但對平行MOSFET而言,有必要查閱MOSFET規格中的安全操作區(SOA),確認單一MOSFET要能持續數十微秒支援此類型負載。

背對背MOSFET

相較於TPS2412等較簡單的控制器,則僅提供基本的ORing功能,TPS2410提供超越基本功能的欠壓與過壓保護。對於偵測過壓以搭配背對背MOSFET組態的ORing控制器而言,這種功能十分實用。當偵測到過壓情況時,控制器會關閉MOSFET閘極,將PG信號設為false,作為超出電壓範圍的指示。如果過壓超出二極體正向基體電壓很多,電源供應器會持續驅動負載到較高的電壓。PG狀態輸出示意系統功率控制器關閉故障的電源供應器。背對背MOSFET確保控制器偵測到過壓時會截止輸出。

電源供應器至電源匯流排

控制器管理電源供應器與電源匯流排之間的熱插/拔事件。無論電源供應器或匯流排的狀態為何,電源供應器都可熱插入電源匯流排中。當電源供應器從電源匯流排上熱拔下來時,控制器調整MOSFET輸入終端為0V,維持暴露的接頭接腳在安全電壓。需要跨MOSFET負電壓的控制器,持續驅動閘極為開啟狀態,而負載電壓也透過MOSFET反饋輸入到接頭的接腳。

電源匯流排到負載

電源匯流排與刀鋒伺服器之間應該使用如TPS2490的熱插控制器。當刀鋒伺服器熱插上時,一開始輸入大電容(bulk capacitor)會放電,造成龐大的湧入(inrush)電流,可能損壞匯流排接頭或電路板,也可能造成暫時壓降進而影響系統中其他電子元件。熱插控制器會管理湧入電流,在穩定狀態則扮演保護系統元件的高速斷路器角色,同時也可避免其他作業軟體失常。

冗聯式(N+1)組態

冗聯式佈線如同圖2的ORing佈線,但匯流排至少接上3個電源供應器。這個概念可延伸為N個數目的供應器。多出於N的額外供應器(N+1)則用來提供備用電力。冗聯方式電源供應器組合比ORing來得經濟。在ORing組態時,由於每個電源供應器必須在另一電源供應器故障時供應最大負載電力,因此必須使用2個大型電源供應器。在一般操作下,電源供應器可均勻的分擔負載,但並非必須。冗聯電源供應器電流的大小通常設計成LOAD/N安培。以這種方式,一部電源供應器在故障時,剩下的會持續支援負載。在高電流應用時,冗聯組態中每個電源供應器的輸出電壓都調整成十分接近,以均勻分擔負載。就如在ORing組態中,電源供應器也可熱插拔。由於冗聯電源匯流排的延展性,冗聯功率比OR來得經濟。當負載增加時才新增電源供應器,以降低系統電源供應器成本。較低的電流供應可能不需要用到平行MOSFET。

冗聯式電源匯流排的ORing

如圖3所示組態為OR二組冗聯匯流排的刀鋒型伺服器的背板設計。每個刀鋒伺服器都由匯流排A與匯流排B供電。這些電源匯流排包含比所需數目多一組的電源供應器。匯流排是在刀鋒伺服器端ORing化。


圖3:冗聯匯流排A與B的ORing。

注意電源供應饋入的排列拓璞。由電源供應器來看,刀鋒伺服器的實際配置,是盡量維持跨電源匯流排的電壓平均分配,來達到負載平衡(load sharing)。在此範例中,刀鋒伺服器1主要是由匯流排A供電,而刀鋒伺服器M主要由匯流排B供電。以這種方式,可熱插拔的備援電源方案要比負載均衡方案便宜多了。這種功率分佈方法對其他背板負載也很實用,例如儲存子系統的磁碟機。

為了克服這些伺服器的挑戰,控制器必須具備以下功能:

•正截止臨界值電壓-避免逆電流進入故障的電源供應器內,並在電源供應器熱拔下時,確保電源匯流排輸入終端不會有電壓。

•線性閘極控制-由於可在功率轉換時提供穩定性,因此這是較受偏好的方法。具有開/關控制,可避免逆電流進入電源供應器的控制器,在狀態轉換時會有振盪(oscillate)的傾向。

•需要大於2安培的閘極截止電流,才能驅動平行或背對背MOSFET,並維持快速截止時間。要在偵測到快速截止臨界值後避免逆電流,快速截止時間是基本要件。

•具有不需要支援元件的內部電荷泵且電路板體積小的獨立裝置。

•可搭配系統功率控制器,以維持電源匯流排的欠壓與過壓輸入及一般狀態輸出。

本文小結

控制器是成功FET ORing的中心元件,可讓設計人員針對備用電源,建構出創新且富成本效益的方案。能在關鍵的電腦機房電源及散熱方面減少支出,可以降低營運成本。負載均衡則是透過細心的電源匯流排設計達成。

作者:Bob Kando

應用工程師

德州儀器




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