TI(德州仪器)工程师为您提供服务器的冗余电源技术方案

    摘要

冗余电源是高可用系统中的关键组件。在最简单的解决方案中，两只电源可以利用二极管来驱动负载以共同为其输出供电。这样，这两只电源既可以共同为负载供电，也可以一只工作，一只备用。场效应晶体管 (FET) ORing 控制器就是一款更为实用的解决方案，因为它避免了二极管电压降、功率损耗以及热损耗。因此我们可以用低电压损耗 MOSFET 来配置更具创新性和经济的系统。在这里我们将讨论几个服务器冗余电源配置的示例。

服务器的冗余电源技术

高可用系统的电源总线可能采用 OR 或者 N+1 配置，或者两者同时采用。一般来说，在低电压、高电流的应用中我们不采用二极管，因为存在正向压降及其带来的热损耗，因此人们更倾向于采用 FET ORing 技术。然而，采用集成和分立设计的 MOSFSET 控制器也有其各自的很多不足之处。
 
MOSFET 两端的差分电压 VAC（请参见图 1）是由控制器进行监控的。控制器根据 VAC 来设置 MOSFET 的栅极电压。MOSFET 开启和关闭的实际开关点电压以及控制的方法和速度定义了控制器成功地模拟二极管的性能和稳定性。

TPS2410 控制器设计旨在专门用于服务器应用。服务器的负载通常为一个低电压、相对恒定的高电流，不允许出现流向失效电源的反向电流。下面我们将讨论一些有关冗余电源配置的示例。示例中采用了图 1 中带方框的二级管符号来表示 N 通道 MOSFET 和控制器的简图。

图 1“带框的二级管”表示控制器和 MOSFET 的简图

OR 配置

图 2 显示了电源的一种简单的 ORing 配置。通常，在刀片服务器上的主电源总线为正 12V。对于其他电源轨而言（甚至包括 CPU 的内核电压（通常只有 0.8V～1.8V）），OR 布线也是如此。计算机内核电压太低，无法考虑使用二极管。 

图 2 简单的电源 OR 配置

这个例子当中的组件位置没有标出。设计人员可以把系统分区然后在电源或者刀片服务器上找到 ORing 电路。、

并联 MOSFET

控制器的栅极关断电流足以驱动多个 MOSFET 栅极。对于高电流应用而言，MOSFET 可以并联和背靠背的方式连接来去除 MOSFET 主体二极管效应。以并联方式接入的 MOSFET 在相同部件号的器件之间有细微的参数上的区别。在并联工作时，它们的负载会出现不均衡，且这种不均衡在开启时比在恒定状态下更为明显。通常，一个MOSFET承载大部分的启动电流。此处是指只考虑通常选用的MOSFET的因素，但是对于并联的MOSFET来说，则需要查询MOSFET规范中的安全工作区 (SOA)。单个 MOSFET 应该能支持几十微秒的负载。

背靠背 MOSFET

TPS2410控制器的功能超越了基本的 ORing 功能，其具有欠压和过压保护功能，而诸如 TPS2412 的更简单的控制器只能提供基本的 ORing 功能。将检测过压的 ORing 控制器和背靠背 MOSFET 配置在一起使用可能会让我们受益非浅。当检测到过压情况以后，控制器就会关闭 MOSFET 栅极，且 PG 信号为 FALSE 以表明出现了过压的情况。如果过压高于正向主体二极管电压，则电源将不断向负载供应更高的电压。PG 状态的输出会发出信号使系统电源控制器关闭失效的电源。背靠背MOSFET 确保了控制器一旦检测到过压情况就立刻关闭输出。

电源到电源总线

该控制器可以对电源和电源总线之间的热插拔事件进行管理。无论电源或总线处于什么状态，电源都可以热插拔到电源总线上。当电源从电源总线上热拔时，控制器会将 MOSFET 输入端的电压调至为 0 伏，从而尽可能地把裸露的连接器引脚电压降至安全范围。要求在 MOSFET 两端具有一个负电压的控制器继续驱动栅极以使其保持开启状态，而负载电压则通过 MOSFET 被反射 (reflect back) 到输入连接器引脚之上。

电源总线到负载

像 TPS2490 这样的热插拔控制器应该用在电源总线和刀片服务器之间。当刀片服务器被热插拔时，输入端大容量电容先被放电并产生很高的浪涌电流，浪涌电流会损坏总线连接器和电路板，进而可以导致影响其他系统电子组件的短暂的压降。热插拔控制器可以管理浪涌电流并且在稳定的状态下发挥高速电路断路器的作用，以保护系统组件。其还可以防止其他操作软件出现故障。

N+1 配置

N+1布线和图 2 中的 OR 布线是一样的，但是至少有 3 个电源接入总线。这种概念可以扩展到任何 N 个电源，并由第 N+1 个额外电源作为冗余电源。这种 N+1 的组合电源比 OR 更为经济。有了 ORing 以后，需要使用两个大电源，因为每个电源都必须能够在其他电源故障时为最大负载供电。这些电源在正常运转情况下可能会共同为负载供电，但这并不是必须的。通常，N+1 个电源的设计负载为总负载电流的N分之一。这样，在一个电源故障的时候其余的可以继续供电。如果将N+1个电源输出电压调节得非常接近，那么在大电流应用中就会出现负载共享。和 ORing 一样，电源可以热插拔。

与 OR 相比，N+1 电源更经济实惠，因为 N+1 电源总线具有可扩展性。为了最低化系统电源成本，当负载增加时，我们可以添加电源。较低电流的电源可能不需要并联的 MOSFET。

N+1 个电源总线的 OR

假设刀片服务器背板的配置为OR（两组 N+1 总线），如图 3 所示。每个刀片服务器由 A、B 总线共同供电，这两个电源总线由 N+1 只电源组成。这些刀片服务器的总线即为 OR 型。

 
 
图  3 N+1 A、B 总线的 OR

请注意供电的拓扑结构。刀片服务器与电源连接的物理位置对电源总线的平均电压提出了更高的要求，这有助于负载共享。在这个示例中，刀片服务器 1 主要由总线 A 供电，而刀片服务器 M 主要由总线 B 供电。这样，与负载共享解决方案相比，冗余热插拔电源解决方案的成本就更加低廉。这种电源分配方案对其他背板负载具有很重要的实际意义，比如存储子系统中的磁盘驱动器。

为了满足这些服务器的要求，您的控制器必须要具备如下功能：

1.正关闭阈值电压功能——该功能可以确保没有流向失效电源的反向电流，并确保对一个电源进行热拔时在电源总线输入终端没有电压。
 
2.线性栅极控制功能——该功能是首要的功能，因为在电源转换时其可以保证稳定性。具有开关控制功能的控制器不允许反向电流流向电源，该控制器在状态转变时会出现振荡。
 
3.为了驱动并联或背靠背的 MOSFET 并保证快速关闭时间，栅极关闭电流必须要高于 2 安培。快速关机时间对于在检测到快速关机阈值后防止反向电流流向电源至关重要。
 
4.独立的器件具有内部充电泵，其不需要辅助支持组件且电路板面积非常小。
 
5.可以与系统电源控制器配合工作的欠压、过压以及一般状态输出功能，以保持电源总线。

结论

控制器是 FET ORing 的核心组件。它使设计人员能够为冗余电源构建新颖的低成本解决方案。通过降低主要计算机机房的功耗并解决散热问题，实现了较低成本运营。通过精心地设计电源总线，实现了负载共享。

作者简介

Bob Kando 现任 TI 接口产品部高性能模拟应用工程师。在加盟 TI 之前，他拥有 10 年的电脑外设与RAID电子设计与开发经验。Bob毕业于位于马萨诸塞州波士顿的美国东北大学(Northeastern University)，获电子工程硕士学位。