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(多图) 数字总线使电流共享的鲁棒性更强

Brendan Daly?? 美国模拟器件公司应用工程师?? 2007年08月05日 ?? 收藏0

  在服务器、存储器与电信系统中,电源经常采用冗余拓扑结构。这意味着多个电源并行连接,为系统提供能量。为了均等地为系统供电,必须确保电源并行连接。通常利用称作“共享总线”的专用总线进行电源之间的彼此通信。传统的方法是利用模拟共享总线,但是如果利用数字方法,可以实现许多优点。数字共享总线是作为一种开放的工业标准提出的,具有抗噪声、带宽可编程、易于校准和免费使用等特点。

图1在典型的模拟共享总线电路中总线上的电压表示单个电源设备提供的最大电流量

  冗余

  在基于服务器的计算机系统中,对不间断运行的需求是非常关键的。冗余电源系统通过并行电源,确保在所有的时候都始终如一地保持对系统载荷的供电。精确的电流共享是系统可靠性的一个重要因素。如果冗余系统中的电源不能均匀地共享功率分摊,一个电源可能面对比其它电源更多的压力。在较高的温度下,这个现象比较明显,这将导致长期可靠性问题。更均等地共享电源将改进可靠性并延长使用寿命。精确的电流共享还阻止系统中热点的发展,这意味着同以往相比,制冷技术的实现更容易且更便宜,而且故障更少。

  模拟共享总线

  模拟共享总线广泛用于电源,至少已有25年的历史。虽然模拟数据总线采用多种形式,但在冗余应用中最常用的形式是有源共享总线(见

图1)。利用这个总线,每个电源(或设备)都试图强制与电源释放电流成正比的电压出现在共享总线上。向共享总线输出最高电压的设备控制总线。每个设备都能够检测出现在共享总线上的电压,并将其同自己欲输出的电压进行比较。能够检测另一个设备正在控制总线的任何设备,将努力增加其供电,使其与控制总线的设备相匹配。当系统中所有设备的共享总线电压都到达彼此的5%以内时(典型值),表明系统正在恰当地共享。

  负载线一般用来指定共享算法。通常,为系统定义偏移与斜率。电源公司的主要障碍是产品性能指标因顾客而异,而且甚至因设计的不同而不同。这意味着电源经常是不兼容的。偏移是必要的,因为模拟放大器在度量与控制接近电源轨与接地轨的电压时会遇到困难。图2给出数字共享拓扑结构。数字共享总线采用的控制方法同模拟共享总线相似,其主要差距体现在通信级别。电流检测要素保持相同,使用检测电阻器或电流变压器确定电压降。这个测量的电压通过模数转换器(ADC)进行数字化。模数转换器生成的数字量越大,该单元向负载提供的电流就越大。每个单元检测出现在总线上的数字量,并将其与其自身的数字量进行比较。这个比较从最高有效位(MSB)开始,是通过逐位比较程序进行的。一旦单元检测到其数字量比总线上的数字量小,该单元就知道必须增加对系统负载的供电。

图2在数字共享总线实施中每个电源输出一个数字量该数字量与电源释放的电流成正比


  数字量是8位,是相对于系统满负载电流的值。例如,输出00h的单元为系统负载提供0%的满负载电流。输出FFh的单元为系统负载提供100%的满负载电流。数字通信基于单总线模型。总线时钟在数据线上进行调制:逻辑“1”定义为起始位时的低-高转换与在tBIT 75%时的高-低转换;逻辑“0”定义为起始位时的低-高转换与在tBIT 25%时的高-低转换。由于开漏输出配置,共享总线的实际信号反相。

  表示电流信息的定时帧包括三个部分:1个起始位(始终是逻辑“0”)、8个数据位和2个空闲位(用于同步)。信号位的tBIT大约是10ms,整个帧的重复频率大约是10kHz。图3给出定时帧。为了启动,当总线至少有2个空闲位时,任何单元都可能启动写入。第一个检测到空闲的单元将开始电流共享帧,所有其它单元将在此刻同步。在第一个起始位后,所有的单元都利用最快的时钟与设备同步。

  单元与共享总线之间可以进行热插拔。热插拔单元在探测到两个停止位之前不能向总线写入。如果控制单元在写入过程中没有拔除,则总线空闲。然后,检测到空闲周期(约20ms)的第一个单元向共享总线写入,且重新建立共享程序。在热插拔期间,共享总线上的值可能不是一个数据帧的正确值。这里给出一个例子,其中单元A已经连接并向负载提供90 A电流。此时,单元B与负载连接。从图4中的A部分可以看出:单元A的数字量比单元B大。单元B需要增加输出电流,并试图与单元A的输出电流相匹配,其数字量已经置于总线。在图4中的B部分,单元B增加输出电流,因此数字量有所增加。由于两个单元现在输出同样的数字量,因此,它们为系统提供相同的电流能量。

图3表示电流信息的定时帧包括三个部分1个起始位8个数据位和2个空闲位

图4在这个数据共享总线实例的A部分中当单元B与负载连接时单元A已经连接并向负载提供90A电流


  数字共享总线的优势

  噪声与干扰是实现共享总线时面临的重大问题。开关电源是充满噪声的环境,新设计方案中电源密度的增加(大于20 W/in3)将只会增加未来噪声干扰的可能性,因为这些电源密度较高。此外,总线需要与所有单元连接在一起,因而对布线噪声十分敏感。


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数字总线? 鲁棒? 冗余拓扑结构?

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