冗余電源就是一種由完全一致的兩個(gè)電源組成，多應(yīng)用在服務(wù)器上。冗余電源中含有一個(gè)芯片，芯片的作用就是控制電源來(lái)實(shí)現(xiàn)電量的負(fù)載均衡，如果其中的一個(gè)電源出現(xiàn)故障，不能工作了，另外一個(gè)電源就能馬上接替它繼續(xù)工作，更換新的冗余電源之后，就又回到兩個(gè)電源協(xié)同工作的狀態(tài)。冗余電源在服務(wù)器上的應(yīng)用提高了服務(wù)器的可用性。

　　RPS電源（Redundant Power System，冗余電源系統(tǒng)）用作部分交換機(jī)的外置直流供電電源

　　RPS可以用作交換機(jī)或路由器的冗余備份電源：

　　l 如果RPS和受電設(shè)備采用相同的交流供電系統(tǒng)，當(dāng)受電設(shè)備內(nèi)部電源出現(xiàn)異常時(shí)，RPS可以繼續(xù)為故障設(shè)備進(jìn)行直流供電，保障設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行；

　　2 如果RPS和受電設(shè)備采用不同的交流供電系統(tǒng)，還可以在受電設(shè)備的外部交流供電電源出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)提供直流供電，保障設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行。

　　冗余電源是高可用系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分。在最簡(jiǎn)單的解決方案中，兩只電源可以利用二極管來(lái)通過(guò)或門(mén)輸出以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這樣，這兩只電源既可以共同工作，也可以一只工作，一只備用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） ORing 控制器是一款更實(shí)用的解決方案，因?yàn)樗苊饬硕O管電壓降、功率損耗以及熱損耗。因此我們可以用低電壓損失 MOSFET 來(lái)配置新穎經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。在這里我們將討論幾個(gè)服務(wù)器冗余電源配置的示例。

　　服務(wù)器的冗余電源技術(shù)

　　高可用系統(tǒng)的電源總線可能采用 OR 或者 N+1 配置，或者兩者同時(shí)采用。通常來(lái)說(shuō)，因?yàn)榇嬖谡驂航导捌鋷?lái)的熱損耗，所以在低電壓、高電流的應(yīng)用中我們不采用二極管。因此人們更傾向于采用 FET ORing 技術(shù)。然而，采用高度集成和分立式設(shè)計(jì)的 MOSFSET 控制器本身也存在很多不足之處。

　　在圖 1 中，MOSFET 兩端的差分電壓 VAC 是由控制器監(jiān)控的，控制器是根據(jù) VAC 來(lái)設(shè)置 MOSFET 的閘極電壓的。在 MOSFET 開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的實(shí)際開(kāi)關(guān)點(diǎn)電壓以及控制的方法和速度決定了控制器成功地模擬二極管的性能和穩(wěn)定性。

　　TPS2410 控制器是專(zhuān)門(mén)為服務(wù)器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。服務(wù)器的負(fù)載通常是低電壓、相對(duì)穩(wěn)定的高電流，不允許出現(xiàn)流向失效電源 （failed power supply） 的反向電流。下面我們將討論一些有關(guān)冗余電源配置的示例。示例中采用了圖 1 中帶方框的二級(jí)管符號(hào)來(lái)表示 N 通道 MOSFET和控制器的簡(jiǎn)圖。

　　圖1、“帶框的二級(jí)管”表示控制器和MOSFET 的簡(jiǎn)圖

　　OR 配置

　　圖 2 顯示了一款簡(jiǎn)單的ORing 電源控制器。通常，在刀片服務(wù)器上的主電源總線為正 12 伏。其他電源軌上的 OR 布線也是如此，甚至包括 CPU 的內(nèi)核電壓，它們通常是 0.8 到 1.8 伏。計(jì)算機(jī)內(nèi)核電壓太低，無(wú)法使用二極管。

　　圖2、簡(jiǎn)單電源的OR

　　這個(gè)例子當(dāng)中的組件位置沒(méi)有標(biāo)出。設(shè)計(jì)人員可以把系統(tǒng)分區(qū)然后在電源或者刀片服務(wù)器上找到 ORing 電路。

　　并聯(lián)的 MOSFET

　　控制器的柵極關(guān)斷電流足以驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極。針對(duì)高電流應(yīng)用，MOSFET 可以并聯(lián)方式連接，或者以背靠背 （back-to-back） 的方式連接來(lái)去除 MOSFET 主體二極管效應(yīng)。以并聯(lián)方式接入的 MOSFET 與相同部件號(hào)的器件有細(xì)微的參數(shù)上的區(qū)別。在并聯(lián)工作時(shí)，它們的負(fù)載會(huì)出現(xiàn)不均衡，且這種不均衡在開(kāi)啟時(shí)比在恒定狀態(tài)下更為明顯。通常，一個(gè) MOSFET 承載大部分的啟動(dòng)電流。此處是指只考慮通常選用的 MOSFET 的因素，但是對(duì)于并聯(lián)的 MOSFET 來(lái)說(shuō)，則需要查詢(xún) MOSFET 參數(shù)中的安全工作區(qū) （SOA）。單個(gè) MOSFET 應(yīng)該能支持幾十微秒的負(fù)載。

　　背靠背的 MOSFET

　　TPS2410 控制器的功能突破了基本的 ORing 功能，其具有欠壓和過(guò)壓保護(hù)功能，而更簡(jiǎn)單的控制器（如 TPS2412）只能提供基本的 ORing 功能。將檢測(cè)過(guò)壓的 ORing 控制器和背靠背 MOSFET 配置在一起使用可能會(huì)讓我們受益非淺。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)壓情況以后，控制器就會(huì)關(guān)閉 MOSFET 柵極，且 PG 信號(hào)為 false 以表明出現(xiàn)了過(guò)壓的情況。如果過(guò)壓超過(guò)了正向主體二極管電壓，電源則不斷向負(fù)載供應(yīng)更高的電壓。PG 狀態(tài)的輸出會(huì)發(fā)出信號(hào)讓系統(tǒng)電源控制器關(guān)閉失效的電源。背靠背 MOSFET 確保控制器一檢測(cè)到過(guò)壓情況就立刻關(guān)閉輸出。

　　為電源總線供電

　　該控制器可以對(duì)電源和電源總線之間的熱插拔事件進(jìn)行管理。無(wú)論電源和總線處于什么狀態(tài)，電源都可以熱插拔到電源總線上。當(dāng)電源從電源總線上熱拔時(shí)，控制器會(huì)把 MOSFET 輸入端的電壓調(diào)至為 0 伏，從而盡可能地把裸露的連接器引腳電壓降至安全范圍。MOSFET 需要負(fù)電壓控制器繼續(xù)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O以使其保持開(kāi)啟狀態(tài)，而負(fù)載電壓則通過(guò) MOSFET 被映射 （reflect back） 到輸入連接器引腳之上。

　　電源總線到負(fù)載

　　像 TPS2490 這樣的熱插拔控制器應(yīng)該用在電源總線和刀片服務(wù)器之間。當(dāng)?shù)镀?wù)器熱插拔時(shí)，輸入端大容量電容先被放電并產(chǎn)生很高的浪涌電流，浪涌電流會(huì)破壞總線連接器和電路板，進(jìn)而可以導(dǎo)致短暫的壓降并影響其他系統(tǒng)電子組件。熱插拔控制器可以管理浪涌電流并且在穩(wěn)定的狀態(tài)下發(fā)揮高速電路斷路器的作用，以保護(hù)系統(tǒng)組件。其還可以防止其他操作軟件出現(xiàn)故障。

　　N+1 配置

　　N+1 布線和圖 2 中的 OR 布線是一樣的，但是至少有 3 個(gè)電源接入總線。這種方式可以擴(kuò)展到任何 N 個(gè)電源，并由第 N+1 個(gè)額外電源作為冗余電源。這種 N+1 的組合電源比 OR 更加經(jīng)濟(jì)。在 OR 配置的情況下，需要使用兩個(gè)大電源，因?yàn)槊總€(gè)電源都必須能夠在其他電源故障時(shí)承擔(dān)起最大負(fù)載。這些電源在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下可能會(huì)負(fù)載共享，但這并不是必須的。通常，N+1 個(gè)電源的設(shè)計(jì)負(fù)載為總負(fù)載電流的 N 分之一。這樣，在一個(gè)電源故障的時(shí)候其余的可以繼續(xù)供電。如果將 N+1 個(gè)電源輸出電壓調(diào)節(jié)得非常接近，那么在大電流應(yīng)用中就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載共享。和 ORing 一樣，電源可以熱插拔。

　　N+1 電源比 OR 更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因?yàn)?N+1 電源總線具有可擴(kuò)展性。為了降低系統(tǒng)電源成本，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，我們可以添加電源。較低電流的電源可能不需要并聯(lián)的 MOSFET。

　　N+1 個(gè)電源總線的 OR 配置

　　假設(shè)刀片服務(wù)器背板的配置為 OR（兩組N+1 總線），如圖 3 所示。每個(gè)刀片服務(wù)器由 A、B 總線共同供電，這兩個(gè)電源總線由 N+1 只電源組成。這些刀片服務(wù)器的總線即為 OR 型。

　　圖3、 N+1 A、B 總線的OR

　　請(qǐng)注意供電 （power feed） 的拓樸結(jié)構(gòu)。刀片服務(wù)器與電源連接的物理就位對(duì)電源總線的平均電壓提出了更高的要求，這有助于共同負(fù)載。在這個(gè)示例中，刀片 1 主要由總線 A 供電，而刀片 M 主要由總線 B 供電。這樣，冗余的熱插拔電源比共同負(fù)載解決方案更加經(jīng)濟(jì)。這種電源分配方案對(duì)其他背板負(fù)載具有很重要的實(shí)際意義，比如存儲(chǔ)子系統(tǒng)中的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。

　　為了滿(mǎn)足這些服務(wù)器的要求，您的控制器必須要具備如下功能：

　　正關(guān)閉閾值電壓功能——該功能可以確保沒(méi)有流向失效電源的反向電流，并確保對(duì)一個(gè)電源進(jìn)行熱拔時(shí)在電源總線輸入終端沒(méi)有電壓。

　　線性柵極控制功能——該功能是首要的功能，因?yàn)樵陔娫崔D(zhuǎn)換時(shí)其可以保證穩(wěn)定性。具有開(kāi)關(guān)控制功能的控制器不允許反向電流流向電源，該控制器在狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)出現(xiàn)震蕩。

　　為了驅(qū)動(dòng)并聯(lián)或背靠背的 MOSFET 并保證快速關(guān)閉時(shí)間，柵極關(guān)閉電流必須要高于 2 安培。快速關(guān)機(jī)時(shí)間對(duì)于在檢測(cè)到快速關(guān)機(jī)閾值后防止反向電流流向電源至關(guān)重要。

　　自帶電源型設(shè)備具有內(nèi)部充電泵，其不需要輔助組件且電路板面積非常小。

　　可以與系統(tǒng)電源控制器配合工作的欠壓、過(guò)壓以及一般狀態(tài)輸出功能，以保持電源總線。

　　結(jié)論

　　控制器是 FET ORing 的核心組件。它使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)槿哂嚯娫礃?gòu)建新穎的低成本解決方案。通過(guò)降低主要計(jì)算機(jī)機(jī)房的功耗并解決散熱問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了較低成本運(yùn)營(yíng)。電源總線的精心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載共享。