Idealna dioda i kontroler hot swap podstawą systemów o wysokiej dostępności

Hot swap dotyczy też zasilania, bo często łączy się kilka zasilaczy równolegle po to, aby, gdy jeden się zepsuje, drugi przejął jego funkcję. W ten sposób można bronić się też przed awarią w sieci energetycznej - kilka zasilaczy połączonych równolegle na wyjściach i podłączonych na wejściach do różnych sieci energetycznych lub przynajmniej faz pozwala na niezakłóconą pracę systemu, gdy awaria dotknie jednej sieci lub jednostki.

Wyjścia zasilaczy łączy się za pomocą diod Schottky’ego po to, aby zapewnić sumowanie prądu wyjściowego oraz aby ograniczyć do minimum spadek napięcia i straty z tym związane. W taki sam sposób dołącza się do systemu zasilania akumulatory rezerwowe, banki superkondensatorów lub generatory spalinowe.

Spadek napięcia na diodach Schottky’ego to ok. 0,5 V, zatem przy 1 A prądu obciążenia straty mocy wynoszą 0,5 W. To dużo wg dzisiejszych standardów sprawności, a dodatkowo napięcia 3,3 lub 5 V są silnie obciążane prądami rzędu nawet 30-50 A, co straty te zwielokrotnia. Nie bez znaczenia jest spadek napięcia wymuszający konieczność realizacji dodatkowej stabilizacji.

Idealna dioda

Do takich celów najlepsza jest idealna dioda, a więc element ją emulujący w postaci tranzystora MOSFET o bardzo małej RDS(ON), co zapewnia małe straty mocy. Po dodaniu do niego kontrolera całość jest w stanie zapewnić bardzo mały spadek napięcia w stanie przewodzenia i tym samym straty mocy. Nie bez powodu układy takie nazywa się idealnymi diodami.

Oszczędności dotyczą też układu: wielokrotnie mniejsze radiatory i zajmowane miejsce też przekładają się na koszty. Idealne diody są dostępne jako kontrolery układu hot swap w różnych konfiguracjach pozwalających dopasować się do różnych topologii systemów zasilania spotykanych na rynku.

Rozwiązanie tradycyjne

Rys. 1. Schemat układu zasilania z hot swap w zasilaczu i LTC4229 jako kontroler diody idealnej do takiej konfiguracji

Pewna grupa systemów wykorzystuje zasilacze wykonane w formie modułowej, które są umieszczane w obudowach typu rack podobnie jak inne karty systemowe. Zasilacz taki poprzez połączenia z tyłu odbudowy (tzw. backplane) dostarcza energii do całej reszty systemu, zasilając wszystkie jednostki w obudowie (rys. 1a).

Takich zasilaczy modułowych może być kilka w jednej obudowie i do ich obsługi wymagany jest kontroler hot swap, który zapewnia miękki start, a więc to, że prąd z dołączonej jednostki narasta stopniowo. Dodatkowo wbudowana dioda idealna chroni zasilacz przed wysokim napięciem wstecznym, które może się pojawić na szynie zasilającej, gdy w systemie jest akumulator albo generator spalinowy. Kolejna funkcja kontrolera to panowanie nad prądami rozruchowymi. W takiej sytuacji aktywnie ogranicza on prąd wyjściowy zasilacza do bezpiecznej dla niego wartości maksymalnej.

Takim kontrolerem jest układ LTC-4229 pracujący w zakresie napięć od 2,9 do 18 V i realizujący pojedynczą idealną diodę ze sterownikiem hot swap (rys. 1b). Można go wykorzystać do obsługi zasilaczy 3,3, 5 i 12 V. Ma wbudowany N-kanałowy MOSFET. Ważną funkcją dodatkową jest wyjście statusu, dostarczające informacji o stanie układu.

Dioda w zasilaczu czy na karcie rozszerzeń?

Rys. 2. Konfiguracja z diodami idealnymi w odbiorniku energii i kontroler podwójnej idealnej diody LTC4227

Pokazana na rysunku 1a topologia sterownika układu hot swap charakteryzuje się niskim kosztem implementacji, gdyż układ sterownika jest montowany na karcie (module) rozszerzającym, a nie w części backplane obudowy. Jest jednak też wada polegająca na tym, że dioda idealna umieszczona w zasilaczu modułowym jest bardziej narażona na awarię, bo są chwile, kiedy musi ona przenieść cały prąd zasilający system.

Awaria diody uniemożliwia wykorzystanie mocy z odpowiadającego jej zasilacza modułowego, co może nawet zostać niezauważone do momentu większej awarii zasilania. Dlatego lepiej skorzystać z topologii pokazanej na rysunku 2a o większej niezawodności, gdzie sumowanie prądu odbywa się na poziomie odbiorników energii (kart rozszerzeń) i przy podwójnej liczbie diod.

Układ LTC4227 firmy Linear Technology pełni funkcję podwójnej diody idealnej i ma wbudowany kontroler hot swap (rys. 2b). Podwójna dioda idealna jest sumatorem typu OR zasilającym kartę rozszerzeń z zasilacza o najwyższym napięciu wyjściowym. Dodatkowo kontroler realizuje zabezpieczenie zwarciowe i ogranicza wartość prądu rozruchowego do bezpiecznych wartości.

Rys 3. Rozwiązanie analogiczne do tego z rysunku 2, ale z diodą przeniesiona do zasilacza

Topologia układu z rysunku 2 zapewnia dobre parametry użytkowe dla systemu zasilania wykorzystującego nadmiarowość, niemniej jest też droższa w realizacji w porównaniu z poprzednią wersją. Im więcej w systemie jest kart odbiorników, tym bardziej opłaca się upraszczanie części hardware znajdującej się na kartach.

W takiej sytuacji rozwiązanie pokazane na rysunku 3a wydaje się najkorzystniejsze. Zapewnia ono wysoką niezawodność i prostotę realizacji po stronie kart rozszerzeń (odbiorników). Każda ścieżka zasilająca zawiera własną diodę i układ ograniczający prąd rozruchowy, a poprawne przesyłanie energii zapewnia okablowanie w części backplane.

Jak widać, przy niezmienionej niezawodności rozwiązania komplikacja układowa została przeniesiona z kart odbiorników na moduły zasilające. Dla układu z rysunku 3a LTC4228 pełni funkcję podwójnej diody idealnej i kontrolera hot swap (rys. 3b). Działa w zakresie napięć wejściowych od 2,9 do 18 V, w tym z 12-woltowymi systemami µTCA oraz 12- i 3,3-woltowymi PCI Express.

Walka z zapadami napięcia

Rys. 4. Układ podtrzymania chwilowego zasilania chroniący przed zanikami

Dodanie do systemu jeszcze jednej diody idealnej zapobiega krótkim zapadom napięcia na skutek krótkich przerw w zasilaniu spowodowanych np. chwilowym przeciążeniem. Wówczas dodanie układu jak na rysunku 4 pozwala na zasilanie odbiornika w tym czasie z energii zgromadzonej w pojemności. Idealna dioda zapewnia, że ta funkcja nie wiąże się ze stratami mocy. Do tego celu można się posłużyć LTC4229, który umieszcza się na wejściu każdej karty wymagającej takiego podtrzymania z pojemności.

Priorytety zasilania

Rys. 5. Napięcie z akumulatora 12 V jest blokowane dopóki napięcie główne jest wyższe niż 4,75 V

Gdy zasilacze systemu są tego samego typu i mocy, nie ma problemu z priorytetem działania źródeł energii. Wówczas podział prądu na poszczególne jednostki dokonuje się automatycznie. Ten, który ma większe napięcie nominalne, dostarcza większą moc i odwrotnie. Jednak gdy w systemie jest zasilacz sieciowy, akumulator, superkondensator, podział obciążenia zgodny z tym mechanizmem nie będzie dobrze działał.

Zasilacz sieciowy powinien mieć największy priorytet (oddawać najwięcej mocy), a pozostałe źródła powinny być aktywne tylko wówczas, gdy on przestanie działać bez względu na napięcia wyjściowe poszczególnych elementów. W praktyce wystarcza zapewnienie, aby póki dostępne jest zasilanie z sieci, napięcia pomocnicze były zablokowane.

Mechanizm ten jest pokazany na rysunku 5, gdzie pracują układy LTC4229 i LTC4352. M_D1 pracuje jako przełącznik, a M_D2 jako dioda idealna. Napięcie z 12-woltowego akumulatora jest blokowane i nie dostaje się na wyjście tak długo, jak długo napięcie główne przekracza 4,7 V (ustalane dzielnikiem R6-R7-R8). Gdy napięcie to spadnie poniżej 4,7 V LTC4229 załącza M_D1 M_D2 i zasilanie jest brane z akumulatora.

Pinkesh Sachdev
Product Marketing Engineer Mixed
Signal Products Linear Technology
www.linear.com