고가용성 시스템은 중복성과 신뢰성을 달성하기 위해 다중의 전원장치들을 결합해야 하는데, 이를 위해서는 핫플러그 기능과 다이오드 제어가 필요하다.
LTC4227, LTC4228, LTC4229는 전원 측이나 부하 카드 측을 비롯해 전원 OR이나 홀드업 기능을 필요로 하는 위치에서 다양한 구성을 가능케 한다. 이 컨트롤러 제품과 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러 소자들을 결합함으로써, 전원 우선순위기와 다양한 구성의 애플리케이션의 요구를 충족할 수 있다.
서버, 산업용 컴퓨터, 엔터프라이즈 데이터 스토리지 및 네트워크 라우터와 같은 시스템은 용량 확장을 위해 모듈러 방식으로 카드를 만든다. 그리고 여러 슬롯을 장착할 수 있게 해 다중 프로세싱 및 I/O 카드를 수용할 수 있게 한다. 따라서 서비스 중단 없이 높은 가용성과 업타임을 달성하기 위해 카드 삽입 및 제거 시 전체적인 시스템을 중단하지 않아도 되도록 ‘핫플러그(hot-plug)’ 기능을 필요로 한다.
또한 고 신뢰성을 위한 일환으로 단일 전원이 고장이 났을 때 가동을 계속하기 위해 다중의 전원 모듈을 병렬로 결합할 수 있다. 더불어 이들 전원을 전원 쇼트키 다이오드를 사용해서 다이오드 ‘OR’ 회로 구성으로 병렬화할 수 있다.
어떤 시스템은 동일한 전원장치들을 ‘OR’로 연결할 수도 있고, 또 백업 배터리, 보조적 유지보수 전원, 커패시터 뱅크를 ‘OR’로 연결할 수 있다. 후자의 경우에는 메인 전원을 사용할 수 없게 되었을 때만 백업 전원을 필요로 한다. 더불어 다이오드와 함께 출력 측에 홀드업(유지) 커패시터를 사용해 전원장치 브라운아웃 시 ‘ride-through(순간적 전력 공급)’ 기능을 제공할 수 있다.
그런데 전류 레벨이 수 암페어 이상이 될 때 쇼트키 다이오드는 자신을 통해 흐르는 전류 1A당 0.5W에 이르는 상당한 전력을 낭비함으로써, 저전압 3.3V나 5V 전원 같은 경우 귀중한 자원인 ‘전압’ 자체를 떨어트리게 된다. 바로 이때 낮은 저항 값을 가지고 있는 MOSFET 스위치와 컨트롤러로 이루어진 아이디얼 다이오드를 사용함으로써, 이러한 전력 낭비와 전압 강하를 1/10 이상으로 낮출 수 있다. 따라서 히트 싱크를 필요하지 않게 하고 보드 면적을 절약할 수 있다.
앞서 설명한 아이디얼 다이오드 컨트롤러와 Hot Swap™ 컨트롤러를 통합할 수 있게 됨으로써, 고가용성(high availability) 시스템이 필요로 하는 다양한 핫플러그 및 OR 시나리오를 충족하는 컴팩트한 솔루션을 제공할 수 있다.
OR은 전원 모듈 상에, 그리고 핫스왑은 부하 카드 상에
고가용성 시스템은 백플레인으로 다중 전원 모듈을 결합한 후, 버스를 통해 시스템 내의 모든 부하 카드들로 전원 출력을 공급할 수 있다[그림 1(a)]. 만약 작동 중인 전원 버스로 전원 모듈을 연결한다면 핫스왑(그림에서 스위치로 표시)과 다이오드 제어 모두를 필요로 할 것이다.
그림 1. (a) 백플레인 상에서의 전원 모듈 OR, (b) LTC4229 단일 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러를 사용한 전원 OR 및 홀드업 애플리케이션
처음 모듈을 삽입하면 핫스왑 컨트롤러가 전원 버스를 소프트스타트해서 벌크 커패시터를 안전한 전류 레벨로 매끄럽게 상승시킨다. 이렇게 작동 중인 버스로 두 번째 모듈을 삽입할 때는 아이디얼 다이오드 제어가 작동해 모듈 전압이 버스 전압보다 낮을 때 역류가 일어나지 않도록 한다. 더불어 핫스왑 제어를 할 때, 이 두 번째 모듈 전압이 버스 전압보다 높을 경우에 쇄도 전류가 안전한 수준이 되도록 한다. 이 외에 핫스왑 컨트롤러는 전원장치 자체의 전류 제한에 더해 신속한 전류 제한 기능을 제공할 수 있다.
리니어 테크놀로지의 LTC4229는 2.9V∼18V 단일 전원 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러[그림 1(b)]로서, 그림 1(a)와 같은 플러그인 전원 모듈에 사용하기에 적합하다. 2.9V∼18V 동작 범위이므로 3.3V, 5V, 12V 전원을 수용할 수 있으며, 모든 N-채널 MOSFET을 제어해 입력부터 출력까지 전압과 전력 손실을 낮출 수 있으며, 수동 다이오드 및 퓨즈와 달리 다중의 전원 상태 출력을 제공할 수 있다.
부하 카드 상에서의 OR 및 핫스왑
그림 1(a)의 토폴로지는 부하 카드로 핫스왑 제어만 구현하면 되므로 비용이 적게 든다. 하지만 이 구성은 백플레인 상의 다이오드가 전체적 시스템 전류를 지원하기 위해서 대형이어야 하고 그러므로 고장에 더 취약하다는 단점이 있다. 다이오드 고장은 전체적 시스템에 있어서 전원 경로를 중단시킬 것이며, 다른 전원이 고장이 날 때까지 이상을 알아차리지 못하게 되므로 신뢰성을 떨어트린다.
그러므로 이보다 더 견고하게 하기 위해서는 그림 2(a)에서 보는 것과 같이 각기 부하 카드 상에서 2개 전원 공급을 결합하면 된다. 그렇게 하면 카드 상에서 다이오드 전류를 낮출 수 있으며, 만약 어떤 다이오드가 고장난다면 해당 카드만 영향을 받게 된다.
LTC4227은 듀얼 아이디얼 다이오드 OR과 뒤이어서 단일 핫스왑 제어가 가능한 컨트롤러로서[그림 2(b)], 부하 카드 전원 OR 및 핫플러그에 사용하기에 적합한 컴팩트한 솔루션을 제공한다. 아이디얼 다이오드 OR(D1과 D2)은 그 중에서 전압이 높은 전원으로 카드를 구동하고, 핫스왑 컨트롤러는 전류 제한 회로 차단기를 사용해서 쇄도 전류를 제어하고 단락 회로 보호를 제공한다.
전원 모듈 상에서의 OR 및 핫스왑
그림 2(a)의 토폴로지는 각각의 부하 카드로 전원 OR을 필요로 함으로써 비용을 증가시킨다. 기본적인 시스템은 전원 모듈보다 부하 카드가 더 숫자가 많다. 따라서 부하 카드를 간소화할 수 있다면 유리할 것이다. 그림 3(a)의 토폴로지는 전원 모듈을 각각의 부하 카드로 출력을 공급할 수 있는 것을 채택함으로써, 높은 신뢰성과 부하 카드 간소화 모두를 달성할 수 있다.
그림 2. (a) 부하 카드 상에서의 전원 OR, (b) LTC4227 듀얼 아이디얼 다이오드 OR 및 단일 핫스왑 컨트롤러를 사용한 부하 카드 전원 OR 애플리케이션
각각의 출력 경로로 다이오드와 쇄도 전류 제어 스위치를 배치한다. 백플레인 상에서 출력을 결합시킨다. 이럴 경우, 부하 카드는 간소화하지만, 전원 모듈 측에서 비용과 복잡성을 증가시킬 수 있다.
그림 3(a)와 같은 토폴로지에 적합한 제품이 바로 LTC4228이다. 이 제품은 2.9V∼18V에 이르는 전원 모듈에 사용할 수 있는 듀얼 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러로서[(그림 3(b)], mTCA 시스템으로 다중의 12V나 PCI Express 시스템으로 12V와 3.3V 같이 다중의 출력을 제공할 수 있다.
그림 3. (a) 각기 부하 카드로 개별적 OR 출력을 제공하는 전원 모듈, (b) LTC4228 듀얼 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러를 사용한 다중 전원 OR 및 홀드업 애플리케이션
전원 홀드업
전원 장치 중 몇몇은 수백 마이크로초에서부터 수 밀리초에 이르기까지 순간적인 브라운아웃을 겪을 수 있다. 공유 백플레인 전원을 사용하는 경우에 부하 카드가 턴온하거나 전원 버스가 OR로 결합된 전원들 간을 전환할 때 이러한 브라운아웃이 발생할 수 있다.
이러한 순간에 부하 카드로 계속해서 전력을 공급하기 위해서는(ride-through 기능) 전원 경로 상에서 부하 카드의 입력 측으로 아이디얼 다이오드를 삽입하면 된다(그림 4). 그러면 입력 전원이 떨어질 때 이 다이오드가 전원 경로를 개방시킴으로써 전류가 백플레인으로 역류하는 것을 방지할 수 있다. 그리고 입력 전원이 복구될 때까지 카드를 계속해서 구동하는 것은 다이오드의 출력 측에 있는 벌크 커패시터로부터 공급받아서 할 수 있다.
그림 4. 인라인 다이오드 및 출력 커패시터를 사용한 전원 홀드업
이러한 경우에 카드의 입력 측으로 LTC4229를 삽입함으로써 전원을 홀드업할 수 있다. 저전압 조건 때문에 핫스왑 컨트롤러가 턴오프하는 것을 방지하기 위해서 그림 1b에서 보는 것처럼 아이디얼 다이오드를 핫스왑 컨트롤러 앞에 배치했다. 하지만 필요하다면 핫스왑 컨트롤러를 아이디얼 다이오드 컨트롤러 앞에 놓을 수 있다. 또한 핫스왑 제어와 아이디얼 다이오드 제어를 각기 별도의 전원에 대해 개별적으로 사용할 수도 있다. 즉, LTC4229는 2개 전원에 대해서 홀드업 기능이 가능하다.
전원 우선순위기
OR로 결합시킨 전원들이 상이한 타입인 경우를 예를 들 수 있다. 배터리, 저전류 보조 전원, 커패시터 뱅크 등 메인 전원을 사용할 수 없게 되었을 때 전력을 공급하기 위해 사용하는 백업 전원이 그것이다. 메인 전원은 백업 전원보다 더 높은 순위로 동작해야 하지만 메인 전원이 반드시 백업 전원보다 전위가 높은 것은 아니다. 이러한 경우에는 이들 전원을 결합하기 위해 단순한 다이오드를 사용할 수 없게 된다. 바로 이러한 경우에 우선순위기 애플리케이션을 사용할 수 있다. 이는 전압이 아니라 우선순위로 전원 소스를 선택하는 것이다.
백업 전압이 메인 전압보다 높을 때는, 메인 전원을 사용할 수 있는 한은 백업 전원이 출력을 공급하지 않도록 차단시켜야 한다. 그림 5는 바로 그러한 애플리케이션으로서 LTC4229와 LTC4352 아이디얼 다이오드 컨트롤러를 사용한다. LTC4229가 ‘back-to-back’ MOSFET(MD1은 스위치, MD2는 아이디얼 다이오드)을 제어해서 메인 전압이 4.7V(R6-R7-R8 분할기를 사용해서 설정) 이상인 한은 12V 배터리가 출력을 공급하지 않도록 차단하고 있다. 메인 전원이 4.7V 아래로 떨어지면 LTC4229가 MD1과 MD2를 턴온함으로써 12V 백업 배터리로부터 출력이 공급된다.
그림 5. 5V 메인 전원(1순위)과 12V 백업 배터리(2순위)를 사용할 때의 우선순위기 애플리케이션
결론
고가용성 시스템은 중복성과 신뢰성을 달성하기 위해 다중의 전원장치들을 결합해야 한다. 이를 위해서는 핫플러그 기능과 다이오드 제어를 필요로 한다. LTC4227, LTC4228, LTC4229는 전원 측이나 부하 카드 측을 비롯해서 전원 OR이나 홀드업 기능을 필요로 하는 위치에서 다양한 방식의 구성을 가능하게 한다.
이들 컨트롤러 제품과 아이디얼 다이오드 및 핫스왑 컨트롤러 소자들을 결합함으로써, 전원 우선순위기와 여타 애플리케이션을 비롯한 다양한 구성의 애플리케이션 요구를 충족할 수 있을 것이다.
Pinkesh Sachdev 리니어 테크놀로지
