Pinkesh Sachdev

凌力尔特公司  混合信号产品  产品市场工程师

引言

为了实现容量可扩展性和模块化，诸如服务器、工业计算机、企业数据存储系统和网络路由器等系统都内置了很多插槽，以容纳多个处理和 I/O 板卡。为了确保高可用性和运行时间，需要系统具备热插拔能力，这样板卡插入和拔出时，整个系统才不会断电。为了进一步提高可靠性，需要并联连接多个电源模块，以确保任一电源发生故障时系统都能继续运行。可以利用肖特基功率二极管以二极管“或”方式并联电源。有些系统以“或”方式并联相同的电源，有些则“或”连接备份电池、辅助维护电源或电容器组。在后者所述情况下，仅当主电源不可用时才需要备份电源。另外，二极管与输出端的保持电容器相结合，以在电源电压过低时实现穿越。

当电流值高于几安培时，肖特基二极管消耗大量功率，每流过 1A 电流大约消耗 0.5W，而且在二极管两端产生压降，对于 3.3V 至 5V 的较低电压电源而言，电压是宝贵资源。而用低电阻 MOSFET 开关和控制器构成的理想二极管则可降低功耗和压降达 10 倍或以上，因此无需散热器，并节省了电路板面积。在有些配置方式中，理想二极管控制器已经与热插拔 (Hot Swap^TM) 控制器相集成，旨在为高可用性系统中遇到的各种不同热插拔和“或”连接情况提供紧凑的解决方案。

电源模块的“或”连接，在负载板卡上进行热插拔

有些高可用性系统在背板上有多个电源模块，通过电源总线向系统中的所有负载板卡提供电源输出 (图 1a)。当电源模块插入带电的电源总线时，热插拔 (图中用开关表示) 和二极管控制都需要。当第一个模块插入时，热插拔控制器软启动电源总线，使大容量电容器的电流缓慢上升至安全值。当第二个模块插入已供电的总线时，如果该模块的电压低于总线电压，理想二极管控制确保不出现反向馈送。另一方面，如果第二个模块的电压高于总线电压，那么热插拔控制确保安全的浪涌电流值。热插拔控制器还提供行动迅速的电流限制，此外，电源本身还有电流限制。每个负载板卡都具备热插拔能力，因为这些板卡共享一个通用电源总线。

LTC4229 是一款 2.9V 至 18V 单电源理想二极管和热插拔控制器 (图 1b)，可用在如图 1a 所示的插入式电源模块上。其 2.9V 至 18V 工作电压范围适合 3.3V、5V 和 12V 电源。该器件控制所有 N 沟道 MOSFET，以降低从输入到输出的电压降和功耗。与无源二极管和保险丝不同，LTC4229 提供多种电源状态输出。

图 1a：在背板上“或”连接的电源模块 

图 1b：LTC4229：用于电源“或”连接和电压保持应用的单个理想二极管和热插拔控制器

在负载板卡上实现“或”连接和热插拔

图 1a 拓扑最大限度降低了成本，因为负载板卡仅需要采用热插拔控制。这种配置方式的缺点是，背板上的二极管必须很大，以支持整个系统的电流，因此更容易出故障。二极管一出故障，整个系统的电源通路就都不能工作了，而且甚至有可能在另一个电源出故障之前，一直注意不到这一情况，从而导致可靠性降低。一种更加可靠的方法是，结合馈送在每个负载板卡上的两个电源，如图 2 所示。板卡上的二极管电流较低，而且任何二极管故障都只影响那个特定的板卡。

凌力尔特的 LTC4227 包括双理想二极管“或”电路和其后的一个热插拔控制器 (图 2b)，为负载板卡电源“或”连接和热插拔提供了一款紧凑的解决方案。理想二极管“或”电路 (D1 和 D2) 用电压较高的电源给板卡供电，同时热插拔控制器管理浪涌电流，并利用电流限制电路断路器以提供短路保护。

图 2a：电源在负载板卡上实现“或”连接 

图 2b：LTC4227：双理想二极管“或”和单热插拔控制器在负载板卡上实现电源“或”连接的应用

电源模块的“或”连接和热插拔

图 2a 拓扑需要在负载板卡上实现电源“或”连接，因此增加了每个负载板卡的成本。既然系统中的负载板卡通常比电源模块多，那么简化负载板卡是有益的。图 3a 拓扑采用针对每个负载板卡提供独立输出的电源模块，既实现了高可用性，又简化了负载板卡。每个输出通路都有一个二极管和浪涌控制开关。输出为每个负载板卡在背板上结合。负载板卡的简化以电源模块的成本和复杂性提高为代价。

用于图 3a 拓扑中的 LTC4228 是一款双路理想二极管和热插拔控制器 (图 3b)，面向具多个输出的 2.9V 至 18V 电源模块，例如µTCA 系统中的多个 12V 输出，或 PCI Express 系统中的 12V 和 3.3V 输出。

图 3a：为每个负载板卡提供独立“或”输出的电源模块

图 3b：LTC4228：面向多个电源“或”连接和电压保持应用的双理想二极管和热插拔控制器

电源电压得以保持

有些电源会经历短暂的电压过低情况，持续时间从几百微秒到许多毫秒。就共享背板电源而言，这种情况可能发生在负载板卡接通时，也可能发生在电源总线在“或”连接的电源之间切换时。为了使负载板卡穿越这种情况，在电源通路中的板卡输入端插入一个理想二极管 (图 4)。当输入电源下降时，二极管使电源通路开路，这样任何电流都无法流回背板。板卡继续用二极管输出端的大容量电容器给自身供电，直到输入电源恢复为止。

图 4：用串联二极管和输出电容器使电源电压得以保持 

LTC4229 放置在电源接入点与板卡之间时，可保持电源电压。为了防止热插拔控制器由于欠压状况而断电，理想二极管放置在热插拔控制器之前，如图 1b 所示。如果需要，LTC4229 也允许热插拔控制器放置在理想二极管控制器之前。该器件足够灵活，热插拔和理想二极管控制可以独立地用于单独的电源。LTC4228 为两个单独的电源提供电压保持。

电源优先顺序

当“或”连接的电源类型不同时，其中之一通常是备份电源，可能是电池、低电流辅助电源或电容器组 (在主电源不可用时供电)。主电源的优先级比备份电源高，但主电源的电压未必是两个电源中较高的，因此不能用简单的二极管连接他们。这是一种优先级排序器应用：根据优先级而不是电压高低选择电源。

当备份电源电压高于主电源电压时，只要主电源可用，就需要防止备份电源给输出供电。这种情况如图 5 所示，图中采用了 LTC4229 和 LTC4352 理想二极管控制器。只要主电源电压高于 4.7V (由 R6-R7-R8 分压器设定)，LTC4229 就控制背对背 MOSFET (M_D1 作为开关，M_D2 作为理想二极管) 来防止 12V 电池给输出供电。当主电源降至低于 4.7V 时，LTC4229 就接通 M_D1 和 M_D2，用 12V 备份电池供电。

图 5：采用 5V 主电源 (第一优先级) 和 12V 备份电池 (第二优先级) 的优先级排序器应用 

结论

高可用性系统需要热插拔和二极管控制，以结合多个电源提供冗余和可靠性。LTC4227、LTC4228 和 LTC4229 提供不同的配置方式，这些配置方式适合需要电源“或”连接或电源电压得以保持的各种部位：电源侧或负载板卡侧。这些控制器与其他独立理想二极管和热插拔控制器相结合，可满足电源优先级排序以及其他定制应用需求。