サーバー設計のためのシンプル、コンパクト、エレガントなホットスワップソリューション
YAT TAM
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2019年9月5日 — 保護および制御回路を実装する必要性は、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となっています。同時に、電力関連のスキームを設計するエンジニアは、最初のコンセプトから完成品までの開発期間を短縮しながら、基板スペースを最小限に抑えることを期待されています。
最小限の数のコンポーネントのソリューションを実装することで、スペースの制約の問題に対処します。市場投入までの期間がますます短くなるスケジュールに直面して、エンジニアは設計作業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。 Monolithic Power Systems（MPS）のPMBuｓを備えたホットスワップソリューションであるMP5023は、エンジニアがこれらの設計上の課題を解決する革新的な方法を提供します。
ホットスワップ挿入/削除イベントについて
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プラグ可能なモジュールとPCBには、電源入力ポイントに保護および制御回路が必要です。これは一般的に、ホットスワップ制御回路と呼ばれます。ホットスワップ制御回路がシステムに対して行うことを理解するには、ホットスワップイベントの前後のシステムのステータスを理解することが重要です。図1は、ホストシステムのバックプレーンが最初から完全に電源供給されていることを示しています。稼働中のシステムでは、すべてのバルクコンデンサとバイパスコンデンサが完全に充電されます。充電されていないカードをライブシステムに挿入すると、すぐにカードが充電され、ライブシステムが放電されます。制御されていないカードの充電には大きな突入電流が必要であり、制御されていないシステムの放電によりバックプレーン電圧が大幅に低下します。
図1：通信システムの分散電源アーキテクチャの例
ホットスワップソリューションは、充電されていないカードの起動を制御し、システムの応答を管理します。ライブシステムコネクタに嵌合するカードは、カードがコネクタに固定されると、電源の接続と切断（電源のオンとオフの切り替え）を行います。カードが適切に接続するまでに数ミリ秒かかる場合があります。カードが挿入されると、カードのコンデンサが充電を開始し、稼働中のシステムから電流を引き出します。コンデンサが最初に充電されると、カードは短く見え、瞬時に大量の電流を引き込みます。この突入電流によりシステムに大きな需要が生じ、システムコンデンサが放電し、システム電圧が低下する可能性があります。したがって、ホットスワップソリューションを使用すると、他のボードに分配される電力を乱すことなく、稼働中のバックプレーンにカード/ボードを挿入したり取り外したりすることができます。
設計上の課題
サーバーやストレージなどのアプリケーションにおけるホットスワップソリューションの特徴には、一般的に、挿抜時のライブボード突入電流制御の安全な制御、障害監視診断と保護、高精度の電気（電圧、電流、電力）および環境（温度）パラメータがあり、アナログまたはデジタルドメインでリアルタイムシステムテレメトリーを提供します。特に、サーバーラック内の1つのラインカード/ボードで障害が発生した場合、その障害はその特定のラインカード/ボードに隔離されたまま、システムバックプレーンにも、その稼働中のバックプレーンから電力供給される他のラインカード/ボードにも影響を与えません。
システムのダウンタイムを防ぐ最善の方法は、潜在的にダメージのある状態を可能な限り迅速に検出、対応、修正することです。
ホットスワップ保護制御回路の設計における従来の知恵は、ディスクリート部品を使用することです。典型的なディスクリートホットスワップソリューションは、コントローラIC、MOSFETなどのパスデバイス、および検出レジスタを組み合わせて、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、グリッチや障害がシステムの他の部分への電力を混乱させないようにします。この方法は、基本的な保護要件を満たしています。ただし、ディスクリートソリューションには次のような既知の欠点があります:
- より多くのコンポーネントを必要とし、より多くのボードスペースを占有します。コンポーネントの数が増えると、ソリューションの堅牢性（ロバスト性）と信頼性に関する懸念も高まります。
- MOSFETの熱保護は組み込まれていません。熱設計は、多くの場合、極端な場合のデバイス保護のための安全動作領域（SOA）の制限を超えています。
- 慎重なPCBレイアウトが必要です。エンジニアは、電流監視と電流制限を正しく正確に実装するために、ケルビン電流検出技術を理解する必要があります。
システムの複雑さを増し、設計サイクルを短縮されるため、設計リソースが手薄になり、リソースは主にシステムの主要な知的財産の開発に割り当てられています。これは、電源スキームに関連する回路が開発サイクルの後期まで無視されることを意味します。
上記の難点に対処するための電力設計の専門知識がほとんどなく、おそらく限られているため、信頼性の高いホットスワップソリューションを開発する必要性が高まっています。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、費用対効果と信頼性が高く、最小限の設計労力で済みます。
革新的なアプローチ
従来のディスクリートソリューションとは異なり、MPSはモノリシックソリューションを実装します。 MP5023は、MOSFETと検出抵抗を統合した16Vホットスワップソリューションであり、50Aの電流を処理できるPMBusインターフェイスをすべて単一のシリコンダイ上で提供します（図2を参照）。小型のQFN（4mmx5mm）パッケージで提供されます。
図2：MP5023とディスクリートホットスワップソリューション
MP5023 に必要な外部コンポーネントの数は最小限であるため、システム設計が簡素化されます（図3を参照）。エンジニアは、電流監視、電流制限、PMBusアドレスを設定するための正しい抵抗値、およびソフトスタートやその他のタイマー機能用のコンデンサの正しい値を選択するだけです。 MP5023は、ICパッケージ内のMOSFETと検出レジスタの接続を最適化することにより、PCBレイアウトの問題も簡素化します。ケルビンセンシングの不完全または不適切な実装を内部的に補うことができ、エンジニアの時間と労力が少なくて済みます。
図3：MP5023の代表的なアプリケーション回路
ディスクリートソリューションに対するMP5023の重要な利点の1つは、高度なモノリシックプロセスにより、電流モニターと電流制限の精度が十分に制御されていることです。さまざまな温度範囲で10A〜50Aの間で±1.5％の電流監視できます（図4を参照）。
内蔵MOSFETは、ダイ上の温度を監視してMP5023をシャットダウンする機能を提供します。デバイス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、デバイスはオフのままになるか（ラッチオフ）、再起動を試みます（自動再試行）。ダイ上の温度を監視し、PMBus経由で読み取ることができます。したがって、エンジニアは、極端なフォールト状態でデバイスをSOA制限内に保つために、MOSFETまたは熱設計を過剰に設計する必要がありません。
図4：出力電流と温度に対するIMONゲイン精度
MP5023はPMBusインターフェースを備えており、PMBus 1.3に準拠しています。これは、構成の容易さと柔軟性、広範かつ正確なシステム制御、詳細かつ正確な監視と遠隔測定を提供します。電圧、電流、温度、障害などのパラメーターは、リアルタイム情報を読み取って報告できるPMBusを介してプログラム可能です。これらのパラメーターの調整はダイナミックに変更できます。リアルタイム監視により、ソリューションのパフォーマンスを包括的に可視化できるため、エンジニアは予測分析によりシステムの実行時間を最適化し、修理が必要になったときに利用可能なデータを増やすことでダウンタイムを最小限に抑えることができます。
結論
これらの要素をMP5023などのホットスワップソリューションに組み込むことにより、システムの動作を手元のニーズに適合させることが可能になり、反復的で労働集約的な活動がなくなり、エンジニアは縮小するスペースの制約と厳しいプロジェクトの納期に対処できます。
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