Prise en charge d'une plus grande fiabilité d'alimentation à travers une architecture N+1

L'intégration accrue rendue possible par des dispositifs de système sur puce (SoC) et des réseaux de portes programmables in situ (FPGA) à haute densité permet d'intégrer plus de fonctionnalités dans des systèmes industriels. Cependant, étant donné que les systèmes en question utilisent désormais des rôles auparavant pris en charge par plusieurs produits, on constate une demande croissante en termes de tolérance aux défauts et de redondance, non seulement par rapport aux contrôleurs eux-mêmes, mais également en relation avec la source d'alimentation.

Les fonctionnalités accrues peuvent également entraîner des demandes élevées de courant de crête. Dans de tels cas, le concepteur du système d'alimentation peut opter pour une mise en parallèle de deux ou plusieurs unités. La mise en parallèle prend en charge non seulement les demandes en fort courant de crête, tout en continuant d'offrir une meilleure fiabilité globale avec moins de contraintes à long terme, mais elle permet également de prendre en charge l'implémentation de conceptions redondantes « n+1 ».

L'architecture n+1 ajoute au moins une alimentation supplémentaire à un système qui peut fournir de l'énergie si l'une des autres alimentations tombe en panne. L'architecture de redondance n+1 est particulièrement économique dans des systèmes plus importants en tant que moyen d'assurer une tolérance aux pannes. La probabilité de panne de plusieurs alimentations en même temps dans des conditions de fonctionnement normales est extrêmement faible. Ainsi, l'ajout d'une alimentation supplémentaire à un ensemble de deux ou trois alimentations fonctionnant en mode de partage de courant n'augmente pas les coûts de façon significative.

Deux méthodes sont couramment utilisées pour une redondance n+1. Une approche consiste à désigner une alimentation de réserve en tant que secours immédiat ou différé. Même si le fonctionnement d'un secours différé augmente la durée de vie de l'alimentation de réserve, la durée requise au démarrage à la suite d'une panne peut entraîner des défaillances système. Un secours immédiat garantit une prise de contrôle instantanée de l'alimentation de réserve en cas de panne d'une autre alimentation dans le groupe, mais étant donné que l'alimentation en question fonctionne à une charge extrêmement faible, et donc à faible rendement, celle-ci va subir des contraintes plus importantes au niveau de la génération de chaleur interne par rapport à l'unité de secours différé.

En permettant à l'alimentation de réserve de participer au partage de courant, les contraintes sur les alimentations sont équilibrées à travers le sous-système d'alimentation. En règle générale, les alimentations sont conçues pour un rendement de crête pour des charges de sortie élevée, ce qui signifie que l'utilisation du partage de courant à une valeur inférieure à la charge de crête va augmenter la génération d'un surplus de chaleur. Cependant, comme la conception d'alimentation a surtout mis l'accent sur le rendement à faible charge au cours des dernières années, cet aspect prend moins d'importance. Les alimentations qui proposent une plage plus étendue de rendements élevés permettent de garantir un fonctionnement des alimentations dans une zone de sortie de chaleur faible durant un fonctionnement normal et de basculer vers une situation de charge plus élevée après une panne.

Les solutions de redondance n+1 sont disponibles à plusieurs niveaux, allant des alimentations complètes aux blocs fonctionnels de niveau circuit intégré. Au niveau des alimentations complètes, la série VFK600 de CUI est conçue pour un fonctionnement en parallèle. En mode parallèle, il est possible de partager de manière égale le courant de charge entre les deux modules en connectant les broches de circuit imprimé correspondantes. La série VFK600 peut être configurée en deux modes différents pour obtenir un fonctionnement en parallèle : l'un pour un fonctionnement en parallèle et l'autre pour un fonctionnement redondant n+1 qui convient à des charges lorsqu'une alimentation de secours est requise.

Fournissant jusqu'à 700 W avec une sortie isolée, la série VFK600 est disponible dans un boîtier métallique robuste avec un dissipateur thermique intégré. En outre, elle est adaptée pour une utilisation avec un bus CC intermédiaire et offre une plage d'entrées 2:1 depuis une source de 18 à 36 V_CC ou de 36 à 77 V_CC, avec une conversion vers 12 à 48 V_CC. L'alimentation offre une protection contre les courts-circuits internes et un contrôle on/off à distance.

Même si des alimentations, telles que la série VFK600, contiennent les composants nécessaires pour les systèmes n+1, d'autres peuvent ne pas le permettre ou peuvent nécessiter une approche personnalisée de la conception du système d'alimentation. Par conséquent, une méthode pour interconnecter plusieurs alimentations en parallèle de manière sécurisée s'avère nécessaire. L'une des techniques les plus utilisées dans des conceptions n+1 consiste à utiliser des diodes Schottky ORing pour connecter des alimentations redondantes à un point commun au niveau de la charge.

Généralement, un dispositif ORing correspond à une diode utilisée pour protéger le système contre des défaillances telles que des courts-circuits de la source d'alimentation d'entrée. En permettant un flux unidirectionnel du courant, la diode ORing isole la défaillance du bus redondant, ce qui permet au système de rester fonctionnel au moyen des alimentations restantes.

Une diode va déconnecter instantanément et de manière efficace une source d'alimentation d'entrée subissant un court-circuit. Cependant, l'utilisation d'une diode conventionnelle présente des inconvénients. La majorité de la vie opérationnelle d'une diode dans une application ORing se déroule en mode de conduction directe, dissipant la puissance et la chaleur en raison de la baisse de tension inhérente de la diode, et se traduit par la nécessité d'une gestion thermique plus importante.

Le problème lié à la dissipation élevée de la puissance est devenu plus évident ces dernières années en raison de l'augmentation des densités de puissance. Par ailleurs, dans des applications comme des serveurs de data center, une forte tendance à réduire le coût du refroidissement par air forcé dans la mesure du possible s'est mise en place.

Le remplacement d'une diode ORing par un transistor MOSFET à canal N implique une légère augmentation du niveau de complexité, mais la conductivité plus importante du transistor MOSFET réduit la nécessité d'utiliser des dissipateurs thermiques de diode et des techniques de gestion thermique similaires dans des applications haute puissance au coût de la complexité de certains circuits supplémentaires. Un exemple de contrôleur conçu particulièrement pour cet objectif est la solution LM5050-1 de Texas Instruments. Il s'agit d'un contrôleur ORing haut potentiel à tension positive qui pousse un transistor MOSFET à canal N externe à agir comme substitut d'une diode ORing.

La tension dans les broches de drain et de source du MOSFET est surveillée par le contrôleur LM5050-1. Une broche de sortie de grille force le MOSFET à contrôler son fonctionnement selon la tension de la source-drain surveillée. Le comportement obtenu est celui d'un redresseur idéal : les broches source et drain du MOSFET agissent en tant que broches d'anode et de cathode d'une diode, respectivement.

Figure 1 : Schéma fonctionnel du LM5050-1 de TI.

Le contrôleur LM5050-1 est conçu pour réguler la tension grille-source du MOSFET si la tension passant par les broches drain et source du MOSFET chute à moins de 30 mV environ. Au fur et à mesure que la tension chute, la tension de broche de grille diminue jusqu'à ce que la tension passant par le MOSFET soit régulée à 22 mV. Si le courant du MOSFET est inversé, probablement en raison de la panne de l'alimentation d'entrée, de manière à ce que la tension dans le drain et la source du MOSFET soit inférieure à -30 mV environ, le contrôleur LM5050-1 décharge rapidement la grille du MOSFET au moyen d'un transistor de décharge solide.

En cas de panne soudaine de l'alimentation d'entrée, ce qui peut se produire si l'alimentation est mise en court-circuit directement vers la masse, un courant inverse circule temporairement via le MOSFET jusqu'à ce que la grille soit entièrement déchargée. Ce courant inverse provient de la capacité de charge et des alimentations connectées en parallèle. Le contrôleur LM5050-1 répond typiquement à une condition d'inversion de tension en 25 ns. La durée réelle requise pour désactiver le MOSFET dépend de la charge tenue par la capacité de grille du MOSFET utilisé. Selon TI, un MOSFET avec une capacité de grille effective de 47 nF peut être généralement désactivé en 180 ns. Cette durée de désactivation rapide minimise les perturbations de la tension à la sortie, ainsi que les transitoires de courant des alimentations redondantes.

Un court-circuit abrupt de zéro ohm dans l'alimentation d'entrée entraîne un flux de courant inverse le plus élevé possible lorsque le circuit de contrôle interne du LM5050-1 décharge la grille du MOSFET. Durant ce temps, le courant inverse est limité uniquement par la résistance à l'état passant du MOSFET, avec des inductances et des résistances de câblage parasites. Le pire scénario de courant inverse instantané est généralement limité à (V_out - V_in)/R_DS(on).

Lorsque le MOSFET est désactivé de manière brusque, l'énergie stockée dans les inductances de câblage parasites est transférée vers le reste du circuit. Par conséquent, le contrôleur LM5050-1 va constater des pics de tension sur les broches de mesure. La broche source connectée peut être protégée par la diode bloquant la broche vers la masse dans le sens négatif ; l'autre broche peut être protégée par une diode de protection TVS (suppression de tension transitoire), un condensateur de découplage local ou les deux.

Une alternative à un circuit Active ORing discret consiste à choisir une version conditionnée, telle que la série de dispositifs Cool-ORing de Vicor. Ces dispositifs combinent un contrôleur MOSFET ORing haute vitesse et un MOSFET à très faible résistance à l'état passant dans un boîtier LGA haute densité thermiquement amélioré de 5 mm x 7 mm. Ces solutions atteignent une résistance à l'état passant typique de seulement 1,5 μΩ tout en permettant jusqu'à 24 A de courant de charge continu sur une plage de températures de fonctionnement étendue. La conception peut être utilisée dans des applications haut potentiel basse tension et permet, en conditionnant ensemble les circuits de support, d'économiser de l'espace carte par rapport à des solutions discrètes. Les composants offrent des réponses très rapides, de l'ordre de 80 ns, aux conditions de panne. Une fonctionnalité maître/esclave permet la mise en parallèle de dispositifs pour des exigences Active ORing à fort courant.

Figure 2 : Réponse de la solution Picor Cool-ORing aux conditions de panne.

En permettant un couplage sécurisé des alimentations, les solutions ORing prennent en charge la création de systèmes d'alimentation plus fiables basés sur la redondance n+1 à des coûts raisonnables pour l'industrie et les systèmes similaires.