带有热插拔功能的冗余电源设计

史志伟

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

根据调查，当前较为流行的冗余电源是带有热拔插功能的冗余电源，该冗余电源满足有效解决机架式电信设备、高端服务器设施等背板的电源需求。一般情况下背板结合了前插功能与后插功能的结构，电源功能单板需要采用双电源供电，并且需要供电电源支持热拔插。而带有热拔插功能的冗余电源，可以充分满足此类设施设备应用需求，不仅可以提升供电稳定性与可靠性，还可以根据设施设备所在机房的实际情况，灵活满足其双直流、双交流、交/直流的使用需求[1]。为进一步提升冗余电源的使用性能，根据带有热拔插功能的冗余电源进行优化设计，并根据电源结构，采用开放冗余电源控制器（Open Redundant Power Controller，ORing），实现电源冗余、热拔插功能。

1 带有热插拔功能的冗余电源产品案例

本次对带有热拔插功能的冗余电源的设计研究，选择冗余电源产品为LTC4350。该冗余电源是Linear Technology 半导体公司最新开发的热插拔电源控制器产品，具有热插拔、电流共享功能，最大限度地简化了带有简热插拔功能的冗余电源的结构，节省了部分结构所产生的成本，同时降低了维护难度，提高了冗余电源的可维护性与可操作性。LTC4350 电源引脚功能如表1 所示。

表1 LTC4350 电源引脚功能

由表1 可知，LTC4350 电源产品，采用16 引脚窄间距小外型塑封（Shrink Small-Outline Package，SSOP）封装形式，16 个引脚的功能各不相同。

2 带有热插拔功能的冗余电源框架分析

根据LTC4350 电源产品实际情况可以确定冗余电源就是多个电源以并联结构供电，并承担系统负荷的复杂电源结构。带有热拔插功能的冗余电源，具备2 个基本特征。一是负载可伸缩，能够有效确保系统的稳定运行，在设备系统运行出现电源故障时，备用电源就会自动承担多出来的负载，以保证设备系统供电稳定，确保设备不间断运行；二是不停机维护，带有热拔插功能的冗余电源，支持热拔插，可以在设备系统运行不停止的状态下随时拔插，也可以在电源连续运行时不停机维护，既不影响设备运行，又可以按时完成维护工作。该特征提高了设备系统的稳定性与可靠性，增强了设备面对故障的及时恢复能力[2]。

带有热拔插功能的冗余电源产品整体结构由n个电源构成，每个电源均具备公共电气通，具体形式为电源输入引脚、均流信号、系统负载等。电源结构内电源共用输入总线、负载总线、均流总线。其中输入总线与外部交/直流输入连接，分配电流至每个电源的输入结构；负载总线负责与每个电源的输出连接；均流总线负责为每个电源提供均流信号，确保每个处于并联结构内的电源能够平均分配输出电流。带有热拔插功能的冗余电源中，每个电源的功能和结构相同，均具有电压变换器、控制器、热拔插控制器设备，并且可以在系统中实现互换。在设备系统运行时，如果某个电源出现故障，则控制器会立刻断开故障电源，将其从并联结构与负载总线隔离，隔离之后多出来的电源，会平均分担到剩余每个电源中。此时，冗余电源系统会发出故障提示，以便工作人员在设备系统带电状态拔出故障电源，插入替换电源。

3 基于应用场景下的热插拔功能冗余电源的设计

按照LTC4350 电源产品的引脚功能分配和电源结构分析内容，立足具体应用场景，考虑带有热插拔功能的冗余电源的使用需求，优化设计冗余电源。

冗余电源是设备系统中的关键部分，最简单的带有热插拔功能冗余电源设计，就是利用二极管连接2 只相同电源驱动负载，让2 只电源共同工作或让其中1 只工作，另1 只备用。另外，根据不同的应用场景与需求，可以采用ORing 控制器，满足电源连接需求，既可以避免二极管对电源出现压降、功率损耗的情况，也可以有效实现低电压损失，优化配置带有热插拔功能冗余电源结构。

3.1 基于服务器的冗余电源设计

在高可用系统中，设计人员可以采用“N+1”配置电源总线，也可以直接采用或门（OR gate，OR）技术配置电源总线，或者同时使用“N+1”与OR 技术。一般情况下，带有热插拔功能的冗余电源中存在正向压降，会产生相应的热损耗。可以根据服务器的应用场景与需求，分析电压电流条件，若存在低电压、高电流条件，则不采用采集管，直接采用FET ORing技术。冗余电源设计中，金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）两端的差分交流电压，由控制器监控，控制器会根据交流电压情况设置MOSFET 闸极电压；在MOSFET 开启状态、关闭状态时，实际开关点的电压、控制方法与控制速度，直接决定了控制器模仿二极管的稳定性情况。控制器设计为TPS2410 控制器，这一控制器的负载是相对稳定的高电流，不允许出现流向失效电源的电流。

3.2 带有热插拔功能的冗余电源配置设计

3.2.1 OR 配置设计

简单电源OR 框架如图1 所示，设计人员以简单的ORing 电源控制器为基础框架，根据实际情况区分设备系统，之后在电源/刀片服务器中找的相应的ORing 电路。一般情况下，这一电源控制器，刀片服务器的电源总线为+12 V，其余电源柜上的布线均相同（0.8 ～1.8 V）。考虑传统二极管的压降较大会降低输出电压值的情况，设计人员将OR 控制器与N 道沟的MOSFET 三极管相结合，形成设计方案，有效解决这一问题，同时增加反向电流的关断保护功能。设计人员采用OR 控制器芯片，一个芯片驱动一个外部MOSFET，以MOSFET 的源极引脚作为二极管的阳极引脚，以漏极引脚作为二极管的阴极引脚，电源流经MOSFET 时，从源极流向漏极，同时监测源极与漏极之间形成电压。

图1 简单电源OR 框架

3.2.2 并联的MOSFET 模块设计

考虑冗余电源应用场景的不同，针对高电流条件下的应用，设计人员计划采用“back-to-back”方式连接，去除MOSFET 中主体二极管效应。采用背靠背的方式连接的MOSFET，系统检测发现过压情况之后，控制器会自动关闭MOSFET 栅极，并发出PG信号，表明出现过压情况，若过压超过正向主体二极管电压，电源会向负载供应更高的电压方向流去，PG 状态输出发出信号，促使系统自动关闭已经失效的电源[3]。采用并联方式连接的MOSFET，其参数数据与相同部件号的器件之间存在差异，在冗余电源运行时容易出现负载不均衡的情况，且电源开启时会出现更明显的不均衡的情况[4]。这就需要考虑MOSFET因素，查询MOSFET 参数安全工作区，控制每个MOSFET 支持几十微秒负载[5]。

3.3 热插拔功能冗余电源设计的测试验证

电源测试验证参数较多，设计人员列出较为重要的测试项目与结果。在测试时，系统采用交/直流电的方式，在背板上合路2 个电源单板的12 V 直流输出，以电子负载产生负载电流，并采用万用表、示波器检测搜集数据。检测时，以不同电子负载产生不同负载电流，分别对交流电源板、直流电源板的电压VGS进行测试，以此反映负载电流ID，利用测试背板的输出电压计算负载调整率，得到测试结果如表2所示。表2 内数据可知，随着负载电流的增加，电压VGS逐步增加，通过MOS 管的负载电流也在逐渐增加，可以根据0 ～16 A 的电流负载数据，计算负载调整率为1.9%，小于电源模块产品手册中标称最大值，电路运行性能良好。

表2 基于不同背板负载电流的测试数据

4 结 论

冗余电源具备热插拔功能，不仅可以满足即插即用的需求，也可以最大限度地提升电源所用设施设备运行的稳定性，确保设施设备供电可靠。就本次冗余电源设计的研究分析，可以发现，冗余电源具备热插拔功能是因为应用了ORing 芯片。本次研究仅对带有热插拔功能的冗余电源设计进行简单研究，仍然有很多不足，未来需进一步加大研究力度，对冗余电源的ORing 芯片应用方法、电源功能配置等一系列问题进行研究，持续不断地提升冗余电源整体性能。