服务器的冗余电源技术

摘要

冗余电源是高可用系统中关键的部分。在最简单的解决方案中，两只电源可以利用二极管来通过或门输出以驱动负载。这样，这两只电源既可以共同工作，也可以一只工作，一只备用。场效应晶体管(FET) ORing控制器是一款更实用的解决方案，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失MOSFET来配置新颖经济的系统。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。通常来说，因为存在正向压降及其带来的热损耗，所以在低电压、高电流的应用中我们不采用二极管。因此人们更倾向于采用FET ORing技术。然而，采用高度集成和分立式设计的MOSFSET控制器本身也存在很多不足之处。

在图1中，MOSFET两端的差分电压VAC是由控制器监控的，控制器是根据VAC来设置MOSFET的闸极电压的。在MOSFET开启和关闭时的实际开关点电压以及控制的方法和速度决定了控制器成功地模拟二极管的性能和稳定性。

TPS2410控制器是专门为服务器应用而设计的。服务器的负载通常是低电压、相对稳定的高电流，不允许出现流向失效电源(failed power supply)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显示了一款简单的ORing电源控制器。通常，在刀片服务器上的主电源总线为正12伏。其他电源轨上的OR布线也是如此，甚至包括CPU的内核电压，它们通常是0.8到1.8伏。计算机内核电压太低，无法使用二极管。

图 2、简单电源的OR

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。

[p]

并联的MOSFET

控制器的栅极关断电流足以驱动MOSFET栅极。针对高电流应用，MOSFET可以并联方式连接，或者以背靠背(back-to-back)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与相同部件号的器件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参数中的安全工作区(SOA)。单个MOSFET应该能支持几十微秒的负载。

背靠背的MOSFET

TPS2410控制器的功能突破了基本的ORing功能，其具有欠压和过压保护功能，而更简单的控制器（如TPS2412）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。如果过压超过了正向主体二极管电压，电源则不断向负载供应更高的电压。PG状态的输出会发出信号让系统电源控制器关闭失效的电源。背靠背MOSFET确保控制器一检测到过压情况就立刻关闭输出。

为电源总线供电

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。无论电源和总线处于什么状态，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，控制器会把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。MOSFET需要负电压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被映射(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，浪涌电流会破坏总线连接器和电路板，进而可以导致短暂的压降并影响其他系统电子组件。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。这种方式可以扩展到任何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更加经济。在OR配置的情况下，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承担起最大负载。这些电源在正常运转情况下可能会负载共享，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。

N+1电源比OR更经济实惠，因为N+1电源总线具有可扩展性。为了降低系统电源成本，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配置

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

[p]

请注意供电(power feed)的拓朴结构。刀片服务器与电源连接的物理就位对电源总线的平均电压提出了更高的要求，这有助于共同负载。在这个示例中，刀片1主要由总线A供电，而刀片M主要由总线B供电。这样，冗余的热插拔电源比共同负载解决方案更加经济。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：

·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。

·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震荡。

·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。

·自带电源型设备具有内部充电泵，其不需要辅助组件且电路板面积非常小。

·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。电源总线的精心设计实现了负载共享。

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毕业于美国东北大学(Northeastern University)（位于波士顿马萨诸塞州），获电子工程理学士学位。