面向高可用性系统的理想二极管和热插拔控制

引言
     为 了 实 现 容 量 可 扩 展 和 模 块 化 ， 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，系统需具备热插拔能力。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，需要并联多 个电源模块，以确保任一电源发生故障时系统仍能继续运 行。可以利用肖特基功率二极管以 “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，可以实现电源低电压穿越。       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，而且二极管两端会产生 压降，对于 3.3V - 5V 的较低电压电源而言，电压是宝贵资 源。采用低导通电阻 MOSFET和控制器构成的理想二极管可 将功耗和压降降低 10 倍或以上，因此无需散热器，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

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
热插拔 (Hot SwapTM) 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。

1  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供电 (图 1a)。当电源模块 插入带电的电源总线时，需要实现热插拔 (图中用开关表 示) 和二极管控制。插入第一个模块时，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水平。 向已供电的总线插入第二个模块时，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。如果该模 块的电压高于总线电压，热插拔控制确保浪涌电流可控。热 插拔控制器还实现快速的电流限制。此外，电源本身也有电 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， 以降低输入到输出的压降和功耗。与无源二 极管和保险丝不同，LTC4229 提供多种电源状态输出。
2  在负载板卡上实现“或”连接和热插拔
因为负载板卡仅需要热插拔控制，图 1a 拓扑最大限度 降低了成本。这种配置方式的缺点是，背板上的二极管必须 很大，以承载整个系统的电流，因此更容易出故障。二极管 一旦出现故障，整个系统的电源通路都不能工作，而且有可 能在另一个电源出故障之前，一直注意不到这一情况，从而 降低可靠性。一种更加可靠的方法是，在每个负载板卡上并 联两个电源，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 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，热插拔控制器管 理浪涌电流，并利用电流限制电路断路器实现短路保护。

3 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。系统中的负载板卡通常比电 源模块多，因此简化
负载板卡是有益的。 图 3 a 拓扑针对每个 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。在背板上为每个 负载板卡并联输出通 路。负载板卡的简化 以电源模块成本和复 杂性的提高为代价。 用于图 3a 拓扑中的 LTC4228 包含双 路理想二极管和热插 拔 控 制 器 ( 图 3 b) ，可用于具多个  2.9V 至 18V 输出的电源模块，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

4  保持电源 电压
     有 些 电 源 会经历短暂的电 压过低情况，持 续时间从几百微 秒到若干毫秒。 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 负载板卡实现低 电 压 穿 越 ， 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，直到输入电源的电压恢复为 止。LTC4229 放置在电源接入点与板卡之间，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用 于不同电源。LTC4228 为两路电源提供电压保持。

5 电源优先顺序
当“或”连接不同类型的电源时，通常会采用备份电 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，因此不能用普通的二极管连接他们。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。

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

图4  用串联二极管和输出电容器使电源电压得以 保持
     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 (MD1 作为开关，MD2 作 为理想二极管)防止 12V 电池向输出供电。当主电源降至低 于 4.7V 时，LTC4229  就接通 MD1 和 MD2，用 12V 备份电池供电。

6 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 或保持电源电压的各种场景：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。

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