48Vのデータセンターアプリケーション向け、高集積、スケーラブル、カレントシェアリング機能付きホットスワップソリューション

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はじめに

データセンターで使用されるサーバーとラックの電力は、数百ワットから数キロワットに大幅に増加しています。これらの高い電力レベルを複数のサーバーに分散すると、必然的に電力損失が大きくなり、効率が低下します。この状況は、従来の12Vの配電電圧から48Vに移行することで軽減できます。

配電電圧の上昇は、部品が電圧ストレスと電流需要に耐えられる必要があるため、データセンター、サーバー、通信システム、およびネットワーク機器アプリケーションにおける重要な設計要件である保護回路の実装に課題をもたらします。同時に、電源関連の回路を設計するエンジニアは、最初のコンセプトから最終製品までの開発時間を短縮しながら、基板スペースを最小限に抑えることが期待されています。

スペースの制約の問題を解決するために、最小限の部品数でソリューションが実装されます。ますます短縮される市場投入スケジュールに加えて、エンジニアは設計の労力を最小限に抑えるソリューションを検討する必要があります。これらのソリューションは、エンジニアが重要な設計上の課題を解決するための簡潔な方法を提供することができます。本稿では、業界初の60V、15Aの集積ホットスワップソリューションであるMPSのMP5048を例として取り上げます。

設計上の課題

多くの通信インフラストラクチャと同様に、高可用性と信頼性は、データセンターのシステム設計の重要な要素です。サーバーやストレージなどのアプリケーションにプラグインできるモジュールとPCBには、電力の入口に保護 / 制御回路が必要です。これは、一般にホットスワップ制御回路と呼ばれます。

ホットスワップ機能を備えたソリューションにより、他のボードに分配された電力を妨げることなく、通電しているバックプレーンにボードを挿入および取り外すことができます。これらのシステムに対する主な期待の1つは、過電圧、過負荷、または短絡状態などの異常な過渡事象が発生した場合のシステムのダウンタイムを最小限に抑えることです。このようなシナリオを克服するために、今日のシステムエンジニアは、保護回路を使用して突入、過負荷、短絡、および過電圧イベントを管理しながら、信頼性の高いシステム動作のために敏感な負荷を保護しています。重要な要件は、不良動作をアプリケーションの動作限界内まで落とし込み、不良が解消されたらシステムをアクティブな状態に戻すことです。すべて手動で介入することなく行います。

システムのダウンタイムを防止する最善の方法は、損傷を与える可能性のある状態を可能な限り迅速に検出し、対応し、修正することです。ホットスワップ保護回路を設計する際の従来の知識では、個別部品を使用する必要がありました。一般的な個別部品を使ったホットスワップソリューションは、高電圧コントローラIC、MOSFET、およびセンス抵抗を組み合わせたものです。これらの部品は、バックプレーンとメインボード間の電力の流れを管理し、グリッチや障害によってシステムの他の部分への電力が中断されるのを防ぎます。ただし、個別部品によるソリューションには、次のようなよく知られた欠点があります。

  • より多くの部品を必要とし、より多くの基板スペースを占有します。部品が増えると、ソリューションの堅牢性と信頼性に関する懸念も生じます。
  • MOSFETの熱保護は組み込まれていません。多くの場合、熱設計は安全動作領域 (SOA) の制限よりも大きいため、極端な場合でもICが確実に保護されます。 
  • 慎重なPCBレイアウトが必要です。エンジニアは、電流を正しくかつ精密に監視および制限するために、ケルビン電流検出技術を理解する必要があります。

システムの複雑さが増し、設計サイクルが短縮されることで、設計リソースが薄くなってしまいました。これは、多くの場合、関連する電源スキームを開発サイクルの後半まで取っておかなければならないことを意味します。上記の設計上の欠点に対処するための時間がほとんどなく、場合によっては電源設計の専門知識が限られているため、信頼できるホットスワップソリューションを開発するにはプレッシャーがあります。理想的なホットスワップソリューションは、フォームファクタが小さく、費用対効果が高く、信頼性が高く、設計の労力が最小限で済むものです。

革新的なアプローチ

統合ソリューションには、従来の個別部品によるソリューションに比べて多くの利点があります。たとえば、 MPSのMP5048は、MOSFETとセンス抵抗が集積されたモノリシック60Vホットスワップソリューションです。このICは、1つのシリコンダイで15Aの電流をすべて処理でき、小型のQFN (5mm x 5mm) パッケージで提供されます。

MP5048は、システムとPCBのレイアウト設計を簡素化するために最小限の外付け部品を必要とします (図1を参照)。ホットスワップソリューションの基本設計は、2つの手順で完了できます。

  1. CLREFピンとCSピンに抵抗を接続して、電流制限と電流監視機能を設定します。
  2. ソフトスタート (およびその他のタイマ機能) を調整するには、適切な数のコンデンサを選択します。主要な部品がソリューションに集積されると、堅牢性と信頼性に関する懸念が少なくなります。

図1: MP5048の代表的なアプリケーション回路

個別部品によるソリューションよりもMP5048のような統合ソリューションを使用する大きな利点の1つは、高度なモノリシックプロセスにより、電流モニタと電流制限の精度が十分に制御されていることです。このICは、さまざまな温度範囲で0Aから15Aの間で3%以内の電流監視を実現できます (図2を参照)

図2: IMONゲイン精度 vs 出力電流と温度

集積されたMOSFETは、ダイ上の温度を監視してICをシャットダウンする機能を提供します。MP5048がサーマルシャットダウンに入ると、ジャンクション温度が過熱保護しきい値を下回った後、オフのままになるか (ラッチオフモード)、再起動を試みます (自動再試行)。これは、エンジニアが極端な故障状態の下でICをSOA制限内に保つために、MOSFETや熱設計を過剰に設計する必要がないことを意味します。

MP5048は用途の広いホットスワップソリューションであり、アプリケーションに必要な電流範囲をサポートするように拡張できます。MP5048にはPMBus機能が搭載されていませんが、MPSのMP5920などのホットスワップ コントローラと組み合わせて、アプリケーションにテレメトリ機能を追加できます (図3を参照)

図3: MP5048は並列動作時にホットスワップコントローラで制御可能

テレメトリを使用すると、リアルタイム情報 (電圧、電流、温度、動作不良など) を読み取ってレポートする機能により、ホットスワップソリューション全体のパフォーマンスを包括的に可視化できます。エンジニアが予測分析によってシステムのランタイムを最適化し、修理が必要になったときにより多くのデータを取得することでダウンタイムを最小限に抑えることができるため、テストとデバッグの段階、またはシステムの展開中にも役立ちます。

内部MOSFETを流れる電流を監視する機能により、並列に接続された複数のMP5048は、ソフトスタート中に各デバイスを流れる電流のバランスをアクティブに調整します。これにより、各ICがソフトスタート電流を均等に流し、1つのICがソフトスタート時の全ての負荷電流を流すことがなくなることが保証されます (図4を参照)。並列に接続されたデバイス間でソフトスタート電流が均等にバランスされるため、MOSFETのSOAから逸脱するリスクが大幅に減少し、熱エネルギーがPCB全体に均等に分散されます。

図4: ソフトスタート時に並列動作する3つのMP5048デバイスの電流共有

結論

これらの要素をMP5048などの統合ホットスワップソリューションに取り入れることで、スペースに制約のある48Vのデータセンターアプリケーションに非常に適した、シンプルで使いやすく堅牢なソリューションが提供されます。モノリシックシステムにより、システムの操作を手元のニーズに適応させることができ、反復的で労働集約的な作業が不要になり、エンジニアはスペースの制約の縮小と厳しいプロジェクトの納期に対処できます。

 

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