| 本文作者：
Pinkesh Sachdev
凌力爾特公司 混合信號產品 產品市場工程師
引言
為了實現容量可擴展性和模塊化，諸如服務器、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，需要系統具備熱插拔能力，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，需要并聯連接多個電源模塊，以確保任一電源發生故障時系統都能繼續運行。可以利用肖特基功率二極管以二極管“或”方式并聯電源。有些系統以“或”方式并聯相同的電源，有些則“或”連接備份電池、輔助維護電源或電容器組。在后者所述情況下，僅當主電源不可用時才需要備份電源。另外，二極管與輸出端的保持電容器相結合，以在電源電壓過低時實現穿越。
當電流值高于幾安培時，肖特基二極管消耗大量功率，每流過 1A 電流大約消耗 0.5W，而且在二極管兩端產生壓降，對于 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 開關和控制器構成的理想二極管則可降低功耗和壓降達 10 倍或以上，因此無需散熱器，并節省了電路板面積。在有些配置方式中，理想二極管控制器已經與熱插拔 (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。
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提供電源輸出 (圖 1a)。當電源模塊插入帶電的電源總線時，熱插拔 (圖中用開關表示) 和二極管控制都需要。當第一個模塊插入時，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值。當第二個模塊插入已供電的總線時，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反向饋送。另一方面，如果第二個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迅速的電流限制，此外，電源本身還有電流限制。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。與無源二極管和保險絲不同，LTC4229 提供多種電源狀態輸出。
圖 1a：在背板上“或”連接的電源模塊
圖 1b：LTC4229：用于電源“或”連接和電壓保持應用的單個理想二極管和熱插拔控制器
在負載板卡上實現“或”連接和熱插拔
圖 1a 拓撲最大限度降低了成本，因為負載板卡僅需要采用熱插拔控制。這種配置方式的缺點是，背板上的二極管必須很大，以支持整個系統的電流，因此更容易出故障。二極管一出故障，整個系統的電源通路就都不能工作了，而且甚至有可能在另一個電源出故障之前，一直注意不到這一情況，從而導致可靠性降低。一種更加可靠的方法是，結合饋送在每個負載板卡上的兩個電源，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。理想二極管“或”電路 (D1 和 D2) 用電壓較高的電源給板卡供電，同時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。
圖 2a：電源在負載板卡上實現“或”連接
圖 2b：LTC4227：雙理想二極管“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
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。既然系統中的負載板卡通常比電源模塊多，那么簡化負載板卡是有益的。圖 3a 拓撲采用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涌控制開關。輸出為每個負載板卡在背板上結合。負載板卡的簡化以電源模塊的成本和復雜性提高為代價。
用于圖 3a 拓撲中的 LTC4228 是一款雙路理想二極管和熱插拔控制器 (圖 3b)，面向具多個輸出的 2.9V 至 18V 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 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管和熱插拔控制器
電源電壓得以保持
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許多毫秒。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。為了使負載板卡穿越這種情況，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。板卡繼續用二極管輸出端的大容量電容器給自身供電，直到輸入電源恢復為止。
圖 4：用串聯二極管和輸出電容器使電源電壓得以保持
LTC4229 放置在電源接入點與板卡之間時，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立地用于單獨的電源。LTC4228 為兩個單獨的電源提供電壓保持。
電源優先順序
當“或”連接的電源類型不同時，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，因此不能用簡單的二極管連接他們。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。
當備份電源電壓高于主電源電壓時，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 分壓器設定)，LTC4229 就控制背對背 MOSFET (MD1 作為開關，MD2 作為理想二極管) 來防止 12V 電池給輸出供電。當主電源降至低于 4.7V 時，LTC4229 就接通 MD1 和 MD2，用 12V 備份電池供電。
圖 5：采用 5V 主電源 (第一優先級) 和 12V 備份電池 (第二優先級) 的優先級排序器應用
結論
高可用性系統需要熱插拔和二極管控制，以結合多個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：電源側或負載板卡側。這些控制器與其他獨立理想二極管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制應用需求。 |
