N+1-Architektur zur Unterstützung einer höheren Leistungssicherheit

Die bessere Integration dank SoC-Komponenten (System-on-Chip) und FPGAs (field-programmable gate arrays) mit hoher Leistungsdichte ermöglicht das Hinzufügen weiterer Funktionen zu industriellen Systemen. Da diese Systeme inzwischen Aufgaben übernehmen, die zuvor von mehreren Produkten unterstützt wurden, sind die Anforderungen in Bezug auf Störungstoleranz und Redundanz gestiegen, und zwar nicht nur in Bezug auf die Controller selbst, sondern auch auf die Stromquellen.

Aufgrund der umfangreicheren Funktionalität kann es auch zu einem höheren Spitzenstrombedarf kommen. In diesen Fällen können die Planer von Leistungssystemen zwei oder mehrere Einheiten parallel schalten. Durch diese Parallelschaltungen werden hohe Spitzenstromanforderungen unterstützt und eine bessere Zuverlässigkeit durch eine geringere Langzeitbelastung gewährleistet. Gleichzeitig wird auch die Umsetzung von redundanten "n+1"-Designs ermöglicht.

Über die "n+1"-Architektur wird mindestens eine weitere Stromquelle zu einem System hinzugefügt, die dann die Stromversorgung übernehmen kann, wenn die andere Stromquelle ausfällt. Die "n+1"-Redundanzarchitektur erweist sich speziell in großen Systemen als kostengünstig, da sie für Störungstoleranz sorgt. Die Wahrscheinlichkeit, dass mehrere Stromquellen unter normalen Betriebsbedingungen gleichzeitig ausfallen, ist relativ gering. Wenn einem Array von zwei oder mehreren Stromquellen, die im Stromverteilungsmodus laufen, eine weitere Stromquelle hinzugefügt wird, verursacht dies nur geringfügig höhere Kosten.

Zum Erreichen der "n+1"-Redundanz stehen in der Regel zwei Methoden zur Verfügung. Es besteht die Möglichkeit, eine Ersatzstromversorgung als Cold- oder Hot-Standby-Option zu spezifizieren. Der Cold-Standby-Betrieb sorgt zwar für eine höhere Lebensdauer der Ersatzstromversorgung, allerdings kann es während der Anlaufzeit nach einer Störung zu Systemstörungen kommen. Mit der Hot-Standby-Option wird sichergestellt, dass die Ersatzstromquelle sofort einsatzbereit ist, falls eine Stromversorgung in der Gruppe ausfällt. Da diese Stromquelle jedoch mit extrem geringer Last und damit mit geringem Wirkungsgrad betrieben wird, kommt es zu einer stärkeren internen Wärmeentwicklung als bei Cold-Standby-Einheiten.

Wenn die Ersatzstromquelle in die Stromverteilung eingebunden wird, werden die Belastungen der Stromquellen im gesamten Subsystem der Stromversorgung verteilt. Traditionell wurden Stromquellen für Wirkungsgradspitzen für hohe Ausgangslasten entworfen, d. h. durch die Stromverteilung bei Nicht-Spitzenlasten kommt es zu einer höheren überschüssigen Wärmeentwicklung. In den letzten Jahren hat sich der Fokus der Stromversorgungsentwicklung jedoch zum Wirkungsgrad bei geringen Lasten verschoben. Dadurch wird die Wärmeentwicklung weniger zum Problem. Durch Stromquellen mit einem höheren Wirkungsgradbereich kann sichergestellt werden, dass es im Normalbetrieb zu einer geringeren Wärmeentwicklung kommt und die höhere Belastung erst nach einem Ausfall einsetzt.

Lösungen für "n+1"-Redundanz sind in unterschiedlichen Größen verfügbar - von kompletten Stromversorgungslösungen bis hin zu Bausteinen auf IC-Ebene. Unter den Komplettlösungen für die Stromversorgung ist die VFK600-Serie von CUI für den Parallelbetrieb ausgelegt. Im Parallelbetrieb kann der Laststrom durch Verbindung der PC-Pole gleichmäßig zwischen zwei Modulen aufgeteilt werden. Der VFK600 kann in zwei verschiedenen Modi für den Parallelbetrieb eingerichtet werden: zum einen für den Parallelbetrieb und zum anderen für den redundanten "n+1"-Betrieb für Lasten, die eine Backup-Stromversorgung erfordern.

Der VFK600 bietet bis zu 700 W über einen isolierten Ausgang und wird in einem robusten Metallgehäuse mit integriertem Kühlkörper geliefert. Er kann mit einem Intermediate-DC-Bus eingesetzt werden und bietet einen 2:1-Eingangsbereich bei einer Quelle mit 18-36 V_DC oder 36-77 V_DC, die zu 12 bis 48 V_DC herabgewandelt werden. Das Stromversorgungselement bietet zudem einen internen Kurzschlussschutz und die An-/Abschaltung über Fernsteuerung.

Stromversorgungselemente wie der VFK600 enthalten zwar die erforderlichen Komponenten für den Einsatz in "n+1"-Systemen. Bei anderen Designs ist dies jedoch möglicherweise nicht der Fall oder muss eine spezielle Herangehensweise zur Anwendung kommen. Daher ist eine Methode erforderlich, die eine sichere Parallelschaltung mehrerer Stromversorgungselemente ermöglicht. Eine häufig verwendete Methode für "n+1"-Designs ist die Verwendung von Schottky ORing-Dioden für die Verbindung redundanter Stromversorgungselemente mit einem gemeinsamen Lastpunkt.

Bei einem ORing handelt es sich in der Regel um eine Diode, die zum Schutz von Systemen gegen Störungen (z. B. Kurzschlüsse von der eingehenden Stromquelle) zum Einsatz kommt. Indem der Stromfluss in nur eine Richtung ermöglicht wird, isoliert die ORing-Diode die Störung vom redundanten Bus. Das System kann somit weiterlaufen und die verbleibenden Stromquellen verwenden.

Eine Diode trennt eine Eingangsstromquelle mit Kurzschluss sofort effektiv ab. Der Einsatz herkömmlicher Dioden bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Eine Diode in einer ORing-Anwendung wird zum größten Teil während ihrer Betriebszeit im Vorwärtsleitmodus eingesetzt und leitet Strom und Wärme durch den Spannungsabfall der Diode ab. Dadurch wird ein umfangreicheres Wärmemanagement benötigt.

Das Problem mit dieser höheren Leistungsverteilung hat sich mit den steigenden Leistungsdichten in den letzten Jahren immer mehr verstärkt. In bestimmten Anwendungen, wie bei Servern in Rechenzentren, wird zudem immer mehr angestrebt, die Kosten für eine erzwungene Luftkühlung möglichst weit zu reduzieren.

Der Austausch der ORing-Diode durch einen N-Kanal-MOSFET sorgt nur für einen geringfügigen Anstieg der Komplexität, jedoch werden dank der besseren Leitfähigkeit des MOSFET die Forderungen nach Dioden-Kühlkörpern und ähnlichen Methoden für das Wärmemanagement in Hochleistungsanwendungen reduziert. Die Komplexität steigt lediglich in Verbindung mit zusätzlichen Schaltungen an. Ein Controller, der speziell für diese Zwecke entworfen wurde, ist der LM5050-1 von Texas Instruments. Dieser High-Side-ORing-Controller mit positiver Spannung steuert einen externen N-Kanal-MOSFET, der als Ersatz für eine ORing-Diode zum Einsatz kommt.

Die Spannung an der MOSFET-Quelle und an den Drain-Polen wird vom LM5050-1 überwacht. Ein Gate-Ausgangspol steuert den MOSFET, um seinen Betrieb ausgehend von der überwachten Quellen-Drain-Spannung zu regeln. Dadurch ergibt sich ein ideales Gleichrichterverhalten: Quelle und Drain-Pole des MOSFET fungieren als Anoden- und Kathoden-Pole einer Diode.

Abbildung 1: Blockschaltbild des TI LM5050-1.

Der LM5050-1 soll die Gate-zu-Quellenspannung des MOSFET regulieren, wenn die Spannung an MOSFET-Quelle und Drain-Polen unter ca. 30 mV fällt. Wenn die Spannung sinkt, wird die Gate-Polspannung so weit reduziert, bis die Spannung am MOSFET auf 22 mV reguliert wird. Wenn sich der MOSFET-Strom umkehrt (möglicherweise durch Ausfall der Eingangsversorgung, sodass die Spannung an Drain und Quelle des MOSFET unter ca. -30 mV liegt), entlädt der LM5050-1 schnell das MOSFET-Gate über einen starken Entladungstransistor.

Wenn die Eingangsspeisung plötzlich ausfällt (beispielsweise bei einem Kurzschluss in der Erdung), fließt ein Rückstrom vorübergehend durch den MOSFET, bis das Gate komplett entladen werden kann. Dieser Rückstrom stammt aus der Lastkapazität und aus den parallel geschalteten Stromquellen. Der LM5050-1 reagiert in der Regel innerhalb von 25 ns auf die Gegenspannung. Die tatsächlich für die Abschaltung des MOSFET erforderliche Zeit hängt von der Ladung ab, die an der Gate-Kapazität des verwendeten MOSFET anliegt. Laut TI kann ein MOSFET mit einer effektiven Gate-Kapazität von 47 nF i. d. R. in 180 ns abgeschaltet werden. Dank dieser schnellen Abschaltung werden die Spannungsschwankungen am Ausgang und die Stromschwankungen der redundanten Stromquellen reduziert.

Ein plötzlicher Kurzschluss mit Null Ohm an der Eingangsspeisung führt zum größtmöglichen Rückstrom, während der interne Steuerkreis des LM5050-1 das Gate des MOSFET entlädt. In diesem Zeitraum wird der Rückstrom nur durch den Eingangswiderstand des MOSFET und durch die parasitären Kabelwiderstände und Induktanzen begrenzt. Der plötzliche Rückstrom ist im extremsten Fall auf (V_out - V_in)/R_DS(on) begrenzt.

Wenn der MOSFET plötzlich abgeschaltet wird, wird der in den parasitären Kabelinduktanzen gespeicherte Strom in den restlichen Schaltkreis übertragen. Der LM5050-1 erfasst dadurch Spannungsspitzen an den Messpolen. Der mit der Quelle verbundene Pol kann durch Verbindung von Pol und Diode in negativer Richtung mit der Erdung geschützt werden. Der andere Pol kann über eine TVS-Schutzdiode, einen lokalen Bypass-Kondensator oder beide geschützt werden.

Alternativ zu einem diskreten aktiven ORing-Schaltkreis kann eine Paketversion eingesetzt werden, beispielsweise die Cool-ORing-Bauteilserie von Vicor. Diese verbinden einen ORing-MOSFET-Hochgeschwindigkeitscontroller und einen MOSFET mit einem sehr geringen Einschaltwiderstand in einem sehr dichten, thermisch optimierten und 5 x 7 mm großen LGA-Gehäuse (land-grid-array). Mit diesen Lösungen wird ein typischer Einschaltwiderstand von nur 1,5 μΩ erreicht, während ein kontinuierlicher Laststrom von 24 A über einen großen Betriebstemperaturbereich ermöglicht wird. Dieses Design kann in High-side-Anwendungen mit niedriger Spannung verwendet werden. Durch die Vereinigung der Hilfsschaltkreise kann im Gegensatz zu diskreten Lösungen Platz auf der Leiterplatte gespart werden. Die Komponenten bietet eine schnelle Reaktion von bis zu 80 ns bei Störungen. Dank Master-/Slave-Funktion können Geräte parallel geschaltet werden, um die Anforderungen eines aktiven Hochstrom-ORings zu erfüllen.

Abbildung 2: Reaktion der Picor Cool-ORing-Lösung auf Störungen

Dank der sicheren Verbindung von Stromversorgungselementen unterstützen ORing-Lösungen die Entwicklung zuverlässiger Leistungssysteme, die auf "n+1"-Redundanz basieren und nur geringe Kosten in industriellen und anderen Systemen verursachen.