冗余電源就是一種由完全一致的兩個電源組成，多應(yīng)用在服務(wù)器上。冗余電源中含有一個芯片，芯片的作用就是控制電源來實現(xiàn)電量的負載均衡，如果其中的一個電源出現(xiàn)故障，不能工作了，另外一個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))用作部分交換機的外置直流供電電源

RPS可以用作交換機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)，當受電設(shè)備內(nèi)部電源出現(xiàn)異常時，RPS可以繼續(xù)為故障設(shè)備進行直流供電，保障設(shè)備的持續(xù)正常運行；

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)故障時繼續(xù)提供直流供電，保障設(shè)備的持續(xù)正常運行。

冗余電源是高可用系統(tǒng)中關(guān)鍵的部分。在最簡單的解決方案中，兩只電源可以利用二極管來通過或門輸出以驅(qū)動負載。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。場效應(yīng)晶體管 (FET) ORing 控制器是一款更實用的解決方案，因為它避免了二極管電壓降、功率損耗以及熱損耗。因此我們可以用低電壓損失 MOSFET 來配置新穎經(jīng)濟的系統(tǒng)。在這里我們將討論幾個服務(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，或者兩者同時采用。通常來說，因為存在正向壓降及其帶來的熱損耗，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 來設(shè)置 MOSFET 的閘極電壓的。在 MOSFET 開啟和關(guān)閉時的實際開關(guān)點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 控制器是專門為服務(wù)器應(yīng)用而設(shè)計的。服務(wù)器的負載通常是低電壓、相對穩(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 中帶方框的二級管符號來表示 N 通道 MOSFET和控制器的簡圖。

圖1、“帶框的二級管”表示控制器和MOSFET 的簡圖

OR 配置

圖 2 顯示了一款簡單的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。計算機內(nèi)核電壓太低，無法使用二極管。

圖2、簡單電源的OR

這個例子當中的組件位置沒有標出。設(shè)計人員可以把系統(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 MOSFET 柵極。針對高電流應(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 與相同部件號的器件有細微的參數(shù)上的區(qū)別。在并聯(lián)工作時，它們的負載會出現(xiàn)不均衡，且這種不均衡在開啟時比在恒定狀態(tài)下更為明顯。通常，一個 MOSFET 承載大部分的啟動電流。此處是指只考慮通常選用的 MOSFET 的因素，但是對于并聯(lián)的 MOSFET 來說，則需要查詢 MOSFET 參數(shù)中的安全工作區(qū) (SOA)。單個 MOSFET 應(yīng)該能支持幾十微秒的負載。

背靠背的 MOSFET

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

為電源總線供電

該控制器可以對電源和電源總線之間的熱插拔事件進行管理。無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。當電源從電源總線上熱拔時，控制器會把 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 需要負電壓控制器繼續(xù)驅(qū)動柵極以使其保持開啟狀態(tài)，而負載電壓則通過 MOSFET 被映射 (reflect back) 到輸入連接器引腳之上。

電源總線到負載

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?shù)镀?wù)器熱插拔時，輸入端大容量電容先被放電并產(chǎn)生很高的浪涌電流，浪涌電流會破壞總線連接器和電路板，進而可以導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 個電源接入總線。這種方式可以擴展到任何 N 個電源，并由第 N+1 個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。在 OR 配置的情況下，需要使用兩個大電源，因為每個電源都必須能夠在其他電源故障時承擔起最大負載。這些電源在正常運轉(zhuǎn)情況下可能會負載共享，但這并不是必須的。通常，N+1 個電源的設(shè)計負載為總負載電流的 N 分之一。這樣，在一個電源故障的時候其余的可以繼續(xù)供電。如果將 N+1 個電源輸出電壓調(diào)節(jié)得非常接近，那么在大電流應(yīng)用中就會出現(xiàn)負載共享。和 ORing 一樣，電源可以熱插拔。

N+1 電源比 OR 更經(jīng)濟實惠，因為 N+1 電源總線具有可擴展性。為了降低系統(tǒng)電源成本，當負載增加時，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。每個刀片服務(wù)器由 A、B 總線共同供電，這兩個電源總線由 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電源總線的平均電壓提出了更高的要求，這有助于共同負載。在這個示例中，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載解決方案更加經(jīng)濟。這種電源分配方案對其他背板負載具有很重要的實際意義，比如存儲子系統(tǒng)中的磁盤驅(qū)動器。

為了滿足這些服務(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——該功能可以確保沒有流向失效電源的反向電流，并確保對一個電源進行熱拔時在電源總線輸入終端沒有電壓。

線性柵極控制功能——該功能是首要的功能，因為在電源轉(zhuǎn)換時其可以保證穩(wěn)定性。具有開關(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)變時會出現(xiàn)震蕩。

為了驅(qū)動并聯(lián)或背靠背的 MOSFET 并保證快速關(guān)閉時間，柵極關(guān)閉電流必須要高于 2 安培。快速關(guān)機時間對于在檢測到快速關(guān)機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)計人員能夠為冗余電源構(gòu)建新穎的低成本解決方案。通過降低主要計算機機房的功耗并解決散熱問題，實現(xiàn)了較低成本運營。電源總線的精心設(shè)計實現(xiàn)了負載共享。

總結(jié)

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