N+1 아키텍처로 더 높은 전력 신뢰성 지원

SoC(시스템온칩) 장치로 가능하게 된 수준의 향상된 통합과 FPGA(현장 프로그래밍 가능한 고밀도 게이트 어레이) 덕분에 산업용 시스템에 더 많은 기능을 넣을 수 있게 되었습니다. 그러나 이러한 시스템은 이전에 여러 제품에서 지원하던 역할을 전부 담당하기 때문에, 컨트롤러 자체는 물론이고 전원에서까지 허용 오차 범위와 중복에 대한 요구가 높아지고 있습니다.

향상된 기능으로 인해 피크 전류 요구도 높아질 수 있습니다. 그런 경우에는 전력 시스템 설계자가 두 개 이상의 장치를 평행으로 사용할 수도 있습니다. 평행으로 사용하면 높은 피크 전력 요구를 지원하면서도 전체적인 신뢰성이 더 높아 장기적인 스트레스가 낮으며, ‘n+1’ 이중화 설계의 구현을 지원합니다.

n+1 아키텍처는 하나 이상의 추가 전원 공급 장치를 사용하여 기타 전원 공급 장치에 장애가 발생해도 에너지를 공급할 수 있습니다. n+1 이중화 아키텍처는 특히 큰 시스템에서 허용 오차 범위를 제공하는 방법으로 비용 효율성이 높습니다. 일반적인 작동 조건에서 두 개 이상의 전원 공급 장치에서 한꺼번에 장애가 발생할 가능성은 작으므로 전류 분배 모드에서 실행되는 장치 두세 개의 배열에 전원 공급 장치를 하나 더 추가해도 비용이 많이 증가하지는 않습니다.

n+1 이중화에 일반적으로 사용되는 방법에는 두 가지가 있습니다. 한 가지 접근 방식은 예비 전원 공급 장치를 저온 또는 고온 대기로 지정하는 것입니다. 저온 대기 작동을 사용하면 예비 전원 공급 장치의 수명을 연장할 수 있지만, 장애가 발생한 후에 시동에 걸리는 시간 때문에 시스템 장애로 이어질 가능성이 있습니다. 고온 대기를 사용하면 그룹에 있는 다른 전원 공급 장치에 장애가 발생했을 때 예비 장치를 바로 사용할 수 있지만, 이 전원 공급 장치가 극히 낮은 부하에서 낮은 효율로 작동하기 때문에 저온 대기 장치보다 내부에서 더 많은 열이 생성되어 더 큰 스트레스를 받습니다.

예비 장치가 전류 분배에 참여할 수 있도록 하면 전원 공급 장치 서브 시스템에서 전원 공급 장치 사이의 스트레스가 균형을 이룹니다. 전통적으로 전원 공급 장치는 출력 부하가 높은 경우에 최고의 효율을 내도록 설계되어 있기 때문에 피크 부하보다 낮은 부하에서 작동 전류 분배를 사용하면 과도한 열이 발생합니다. 그러나 최근에는 전원 공급 장치 설계에서 낮은 부하 효율을 중시하기 때문에 이 문제가 경감되고 있습니다. 고효율 범위가 넓은 전원 공급 장치를 사용하면 전원 공급 장치가 일반적인 작동에서 열을 덜 발생시키다가 장애가 발생한 후에 부하가 큰 상황으로 전환할 수 있습니다.

n+1 이중화 솔루션은 최대 전력 전원 공급 장치에서 IC 수준의 빌딩 블록까지 다양한 수준에서 사용할 수 있습니다. 최대 전력 전원 공급 장치 수준에서, CUI의 VFK600 계열은 평행 작동용으로 설계되었습니다. 평행 작동을 사용하면 두 모듈을 PC 핀으로 연결하여 모듈 사이에 부하 전류를 동일하게 분배할 수 있습니다. VFK600은 서로 다른 두 모드로 설정하여 평행 작업을 수행할 수 있습니다. 하나는 평행 작업에 사용되고, 다른 하나는 백업 전력이 필요한 부하에 적합한 n+1 이중화 작업에 사용됩니다.

절연된 출력으로 최대 700W를 제공하는 VFK600은 내구성이 좋은 금속 인클로저에 들어 있으며 방열판이 포함되어 있고 완충 DC 버스용으로 적합합니다. 18V ~ 36V_DC 전원이나 36V ~ 77V_DC 전원에서 12V ~ 48V_DC로 변환되는 2:1 입력 범위를 제공합니다. 이 전원 공급 장치는 내부 단락 보호와 원격 온/오프 제어를 제공합니다.

VFK600과 같은 전원 공급 장치에는 n+1 시스템에서 작동하는 데 필요한 부품이 포함되어 있지만, 다른 설계에는 포함되어 있지 않을 수도 있고 전력 설계에 맞춤형 접근 방식이 필요할 수도 있습니다. 따라서 여러 개의 전원 공급 장치를 평행으로 상호 연결할 방법이 필요합니다. n+1 설계에서 일반적으로 사용되는 기법은 쇼트키 ORing 다이오드를 사용하여 이중화 전원 공급 장치를 공통의 부하 지점에 연결하는 것입니다.

일반적으로 ORing 장치는 입력 전원의 단락과 같은 장애로부터 시스템을 보호하기 위해 사용되는 다이오드입니다. ORing 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하여 이중화 버스에서 장애를 분리하고, 남은 전원 공급 장치를 사용하여 시스템을 계속 실행할 수 있도록 합니다.

다이오드는 입력 전원 회로를 효율적으로 즉시 차단할 수 있습니다. 그러나 기존의 다이오드를 사용하는 방식에는 단점도 있습니다. ORing 응용 제품에서 다이오드는 작동 수명의 대부분을 정방향 전도 모드에서 보내며, 다이오드 특유의 전압 강하로 인해 전력과 열을 발산하므로 열 관리가 더 많이 필요합니다.

이렇게 내전력이 높아서 생기는 문제는 최근에 출력 밀도가 높아지고, 데이터 센터 서버와 같은 응용 분야에서 강제 공랭 비용을 최대한 절감하고자 하면서 더욱 두드러지고 있습니다.

ORing 다이오드를 N 채널 MOSFET으로 바꾸면 복잡도가 약간 높아지지만, MOSFET의 전도율이 더 높기 때문에 고전력 응용 분야에서 다이오드의 방열판이나 이와 유사한 열 관리 기법의 필요성은 줄어들기 때문에 감수할 가치가 있습니다. 이 목적으로 특별하게 설계된 컨트롤러의 예로는 Texas Instruments LM5050-1이 있습니다. 이 컨트롤러는 양전압 하이사이드 ORing 컨트롤러로, ORing 다이오드 대신 사용되는 외장형 N 채널 MOSFET을 구동합니다.

MOSFET 소스와 드레인 핀 사이의 전압은 LM5050-1으로 모니터링합니다. ‘게이트’ 출력 핀이 MOSFET을 구동하며 모니터링된 소스-드레인 전압을 기반으로 작동을 제어합니다. 결과적인 동작은 MOSFET의 소스 및 드레인 핀이 각각 다이오드의 음극 및 양극 핀으로 작동하는 이상적인 정류기와 같습니다.

그림 1: TI LM5050-1의 제품 구성도.

LM5050-1은 MOSFET 소스와 드레인 핀 사이의 전압이 약 30mV 아래로 떨어질 경우에 MOSFET 게이트-소스 전압을 조정하도록 설계되었습니다. 전압이 떨어지면 MOSFET의 전압이 22mV에서 조정될 때까지 게이트 핀 전압이 내려갑니다. 입력 전력 장애 등으로 인해 MOSFET의 드레인과 소스 사이 전압이 약 -30mV보다 더 음의 방향으로 커지도록 MOSFET 전류가 역전되면 LM5050-1에서 강력한 방전 트랜지스터를 통해 빠르게 MOSFET 게이트를 방전합니다.

전원이 접지에 직접 단락되는 경우와 같이 입력 전력이 갑자기 떨어지는 경우에는 게이트가 완전히 방전될 때까지 MOSFET을 통해 일시적으로 역전류가 흐릅니다. 이러한 역전류는 부하 정전 용량 및 평행 연결된 전원 공급 장치에서 발생합니다. LM5050-1은 전압 역전 상황에서 일반적으로 25ns 이내에 반응합니다. MOSFET을 끄는 데 필요한 실제 시간은 사용 중인 MOSFET의 게이트 정전 용량의 충전량에 따라 달라집니다. TI에 따르면, 유효 게이트 정전 용량이 47nF인 MOSFET은 일반적으로 180ns 이내에 끌 수 있다고 합니다. 끄는 시간이 이렇게 빠르면 출력에서의 전압 방해가 최소화되고 이중화 전원 공급 장치의 전류 과도 상태도 최소화됩니다.

입력 전원 공급 장치에서 갑작스럽게 0옴의 단락이 발생하면 내장형 LM5050-1 제어 회로망에서 MOSFET의 게이트를 방전하는 동안 가능한 최대의 역전류가 발생할 수 있습니다. 이 동안의 역전류는 MOSFET의 온스테이트 저항과 기생 배선 저항 및 유도 용량에 의해서만 제한됩니다. 최악의 상황에서 순간적인 역전류는 일반적으로 (V_out - V_in)/R_DS(on)로 제한됩니다.

그러한 갑작스러운 상황에서 MOSFET이 꺼지면 기생 배선 유도 용량에 저장된 에너지가 회로의 나머지 부분으로 전달됩니다. 그 결과 LM5050-1의 측정 핀에 전압 스파이크가 발생합니다. 소스에 연결된 핀은 핀을 음의 방향으로 접지에 클램프로 연결하여 보호할 수 있고, 다른 핀은 TVS 보호 다이오드나 로컬 바이패스 커패시터 또는 둘 다 보호할 수 있습니다.

이산 소자 활성 ORing 회로망의 대안은 Vicor의 Cool-ORing 계열과 같은 패키지 버전을 사용하는 것입니다. 그러면 ORing MOSFET 컨트롤러와 매우 낮은 온스테이트 저항 MOSFET을 내열 기능이 강화된 고밀도 5mm x 7mm LGA(랜드 그리드 어레이) 패키지로 결합할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 1.5μΩ 정도로 낮은 일반적인 온스테이트 저항을 달성할 수 있는 한편, 넓은 범위의 작동 온도에서 최대 24A의 연속 부하 전류를 지원할 수 있습니다. 지원 회로망을 함께 패키징하여 이 설계를 저전압 하이사이트 응용 분야에 사용하면 이산 소자 솔루션에 비해 보드 공간을 절약할 수 있습니다. 이러한 부품은 장애 상황에서 80nS의 빠른 응답을 제공할 수 있습니다. 마스터/슬레이브 기능을 사용하면 고전류 활성 ORing 요구 사항에 대해 장치를 평행으로 사용할 수 있습니다.

그림 2: 장애에 대한 Picor Cool-ORing 솔루션의 응답.

ORing 솔루션에서는 전원 공급 장치 여러 개를 안전하게 결합하여 산업용 및 유사 시스템에서 적절한 비용에 n+1 이중화를 기반으로 더 신뢰성 높은 전력 시스템을 만들 수 있습니다.