面向48V數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的高度集成、可擴(kuò)展、均流熱插拔解決方案

面向48V數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的高度集成、可擴(kuò)展、均流熱插拔解決方案

簡(jiǎn)介

從幾百瓦到幾千瓦，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器和機(jī)架功率大幅提高。但高功率水平在多個(gè)服務(wù)器上分配會(huì)不可避免地產(chǎn)生較大的功率損耗，從而損害效率。將傳統(tǒng)的12V配電電壓轉(zhuǎn)換為48V可以緩解這個(gè)問(wèn)題。

但是，提高配電電壓給保護(hù)電路的實(shí)施帶來(lái)了挑戰(zhàn)。保護(hù)電路是數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求，因?yàn)橄到y(tǒng)組件必須能夠承受電壓應(yīng)力并滿足電流需求。設(shè)計(jì)電源相關(guān)方案的工程師們對(duì)此倍感壓力，因?yàn)榕c此同時(shí)，他們還要在最小化電路板空間的同時(shí)，縮短從最初概念到最終產(chǎn)品之間的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

采用具有最少組件數(shù)量的解決方案可以解決空間受限的問(wèn)題。另外，除了不斷被壓縮的產(chǎn)品上市時(shí)間表，工程師現(xiàn)在還必須考慮如何最大程度地減少設(shè)計(jì)工作量。新的解決方案需要為工程師提供完善的方式來(lái)解決關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文將以MPS的MP5048為例進(jìn)行介紹，MP5048是60V/15A集成式熱插拔解決方案。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

和許多通信基礎(chǔ)架構(gòu)一樣，高可用性和高可靠性是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。可以插入服務(wù)器和存儲(chǔ)器等應(yīng)用的模塊和PCB在電源入口處都需要保護(hù)/控制電路，通常稱(chēng)為熱插拔控制電路。

具有熱插拔功能的解決方案允許將板卡插入帶電背板或從帶電背板上卸下，而不會(huì)干擾分配給其他板卡的電源。對(duì)這些系統(tǒng)的主要要求之一，是在任何異常瞬態(tài)事件（例如過(guò)壓、過(guò)載或短路）中將系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間降至最低。為應(yīng)對(duì)這些意外情形，系統(tǒng)工程師目前大多采用保護(hù)電路來(lái)管理浪涌、過(guò)載、短路和過(guò)壓事件，同時(shí)保護(hù)敏感負(fù)載以確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。關(guān)鍵點(diǎn)在于，將故障降至應(yīng)用的運(yùn)行限制以?xún)?nèi)，并在故障清除之后立即恢復(fù)系統(tǒng)的正常狀態(tài)，而且，所有這些都無(wú)需任何人工干預(yù)。

預(yù)防系統(tǒng)停機(jī)的最佳方法是盡可能快地檢測(cè)、響應(yīng)并糾正潛在的破壞性條件。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，新型48V配電電壓系統(tǒng)的熱插拔保護(hù)電路應(yīng)采用分立式元件。典型的分立式熱插拔解決方案結(jié)合了高壓控制器IC、MOSFET和采樣電阻器。這些組件管理背板和主板之間的功率流，防止小毛病和故障干擾系統(tǒng)其余部分的電源。但是，分立式解決方案具有一些眾所周知的缺點(diǎn)，包括：

需要更多的組件并占用更多的板空間。更多組件會(huì)引起對(duì)方案強(qiáng)健性和可靠性方面的擔(dān)憂。

不包含MOSFET的熱保護(hù)。其散熱設(shè)計(jì)通常超過(guò)安全工作區(qū)（SOA）的限制，而SOA可確保在極端情況下對(duì)設(shè)備的保護(hù)。

需要謹(jǐn)慎布局PCB。工程師必須了解開(kāi)爾文電流檢測(cè)技術(shù)以正確并準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和限制電流。

由于系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和設(shè)計(jì)周期的縮短，設(shè)計(jì)資源愈發(fā)緊張。電源相關(guān)方案通常都被放在一邊，直至開(kāi)發(fā)周期的后期。實(shí)際上，要解決上述的設(shè)計(jì)缺陷，只需很少的時(shí)間，并且只需有限的電源設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可。因此我們迫切需要開(kāi)發(fā)出可靠的熱插拔解決方案。理想的熱插拔解決方案將具有外形尺寸小、經(jīng)濟(jì)高效且可靠的特點(diǎn)，而且只需最小的設(shè)計(jì)工作量。

創(chuàng)新型方法

相比傳統(tǒng)分立式解決方案，集成式解決方案具備多種優(yōu)勢(shì)。例如，MPS的MP5048即為具有集成MOSFET和采樣電阻的單片60V熱插拔解決方案。該器件采用小尺寸QFN（5mmx5mm）封裝，可在單硅片上處理全部15A電流。

MP5048只需很少的外部組件，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)和PCB布局設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。該熱插拔解決方案的基本設(shè)計(jì)分兩個(gè)步驟完成：

將CLREF和CS引腳上的電阻接地，以設(shè)置電流限制和電流監(jiān)測(cè)功能。

選擇適當(dāng)數(shù)量的電容器以調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)（以及其他計(jì)時(shí)器功能）。將關(guān)鍵組件集成到解決方案中，會(huì)降低人們對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)健性和可靠性的擔(dān)憂。

圖1:MP5048典型應(yīng)用電路

用MP5048之類(lèi)的集成式解決方案替代分立式解決方案還具有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)，由于采用了先進(jìn)的單片工藝，電流監(jiān)測(cè)器和限流精度可以得到很好的控制。這款特殊的器件可以在各種溫度條件下，在0A至15A范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度低于3％的電流監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖2）。

圖2: IMON增益精度 vs. 輸出電流和溫度

集成的MOSFET提供了片上溫度監(jiān)測(cè)能力，可以關(guān)閉器件。一旦MP5048進(jìn)入過(guò)熱關(guān)斷狀態(tài)，將會(huì)在結(jié)溫降至過(guò)溫保護(hù)閾值之下后保持關(guān)斷狀態(tài)（鎖存模式）或嘗試重啟（自動(dòng)重試）。這意味著工程師無(wú)需過(guò)度設(shè)計(jì)MOSFET或散熱設(shè)計(jì)，即可在極端故障條件下將器件保持在SOA限制內(nèi)。

MP5048是一種通用的熱插拔解決方案，可以擴(kuò)展以支持應(yīng)用所需的任何電流范圍。即使MP5048不具備PMBus能力，它也可以與熱插拔控制器（如MPS的MP5920）配對(duì)，從而為應(yīng)用增加遙測(cè)功能（參見(jiàn)圖3）。

圖3：MP5048可以通過(guò)并聯(lián)的熱插拔控制器進(jìn)行控制

通過(guò)遙測(cè)技術(shù)能夠讀取和報(bào)告電壓、電流、溫度和故障等實(shí)時(shí)信息，從而全面了解整個(gè)熱插拔解決方案的性能。這在測(cè)試和調(diào)試階段，甚至系統(tǒng)部署期間都非常有用，它使工程師能夠通過(guò)預(yù)測(cè)分析優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)在需要維修時(shí)可以得到更多數(shù)據(jù)，從而最大程度地減少停機(jī)時(shí)間。

通過(guò)內(nèi)部MOSFET提供的電流監(jiān)測(cè)能力，多個(gè)并聯(lián)的MP5048器件可在軟啟動(dòng)期間主動(dòng)平衡流經(jīng)每個(gè)器件的電流。這樣可確保每個(gè)設(shè)備均等承載軟啟動(dòng)電流，不會(huì)有某一個(gè)設(shè)備承載全部的軟啟動(dòng)負(fù)載電流（見(jiàn)圖4）。在并聯(lián)器件之間均衡軟啟動(dòng)電流，可以大大降低違反MOSFET SOA的風(fēng)險(xiǎn)，而熱能也可以更均勻地分布在PCB上。

圖4：三個(gè)并聯(lián)MP5048器件在軟啟動(dòng)期間的均流

結(jié)論

將這些元素集成到諸如MP5048之類(lèi)的集成式熱插拔解決方案中，可提供一種簡(jiǎn)單、用戶友好且強(qiáng)大的解決方案，非常適合空間受限的48V數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。而單片式系統(tǒng)可以滿足當(dāng)前的系統(tǒng)操作需求，消除重復(fù)性和勞動(dòng)密集型工作，使工程師能夠應(yīng)對(duì)不斷減小的空間限制以及緊迫的項(xiàng)目周轉(zhuǎn)時(shí)間。

審核編輯：湯梓紅