Arquitectura N+1 admite mayor confiabilidad de energía

La mayor integración posible gracias a los dispositivos de sistema en chip (SoC) y a los arreglos de compuertas programables en campo (FPGA) de alta densidad ha hecho posible introducir más funcionalidad en los sistemas industriales. Sin embargo, debido a que estos sistemas ahora asumen roles anteriormente admitidos por varios productos, existe una demanda creciente de tolerancia a fallos y redundancia, no solo en los propios controladores, sino también en la fuente de alimentación.

La mayor funcionalidad también puede generar altas demandas de corriente pico. En tales casos, el diseñador del sistema de energía puede usar la opción de poner en paralelo dos o más unidades. Poner en paralelo no solo admite las demandas eléctricas pico sin dejar de ofrecer una mayor confiabilidad general a través de menos estrés a largo plazo, sino que puede apoyar la implementación de diseños redundantes "n+1".

La arquitectura n+1 añade al menos una fuente de alimentación adicional a un sistema que puede proporcionar energía si falla alguna de las otras fuentes. La arquitectura de redundancia n+1 es particularmente rentable en sistemas más grandes como una forma de proporcionar tolerancia a fallas. La probabilidad de que más de una fuente de alimentación falle a la vez en condiciones de funcionamiento normales es extremadamente baja, por lo que la adición de una fuente de alimentación adicional para un arreglo de dos o tres que funcionan en el modo de reparto de energía no aumenta significativamente el costo.

Hay dos métodos comúnmente utilizados para la redundancia n+1. Un enfoque consiste en designar a una fuente de alimentación de repuesto como modo de espera en frío o en caliente. Aunque el funcionamiento en modo de espera en frío aumenta la vida útil de la fuente de alimentación de repuesto, el tiempo que se necesita para ponerla en marcha después de una falla puede provocar fallas en el sistema. El modo de espera en caliente garantiza que el repuesto esté listo para asumir el control en caso de que otra fuente de alimentación en el grupo falle, pero como este suministro funciona a muy baja carga, y por lo tanto baja eficiencia, sufrirá un mayor estrés a partir de la generación interna de calor que una unidad en modo de espera en frío.

Al permitir que el repuesto participe en el reparto de corriente, las tensiones en las fuentes se equilibran a través del subsistema de la fuente de alimentación. Tradicionalmente, las fuentes de alimentación se han diseñado para la máxima eficiencia para cargas de salida alta, lo que significa que operar la distribución de energía a menos de la carga pico aumentará la generación de calor excedente. Sin embargo, en los últimos años, el diseño de las fuentes de alimentación se ha centrado en la eficiencia de carga baja, lo que hace que este sea un problema menor. Las fuentes que ofrecen una gama más amplia de alta eficiencia pueden ser usadas para garantizar que las fuentes operen en una zona de baja emisión de calor durante el funcionamiento normal y pasen a una situación de mayor carga después de una falla.

Las soluciones para la redundancia n+1 están disponibles en varios niveles, desde fuentes de máxima potencia hasta bloques de nivel de CI. A nivel de fuentes de máxima potencia, la serie VFK600 de CUI está diseñada para el funcionamiento en paralelo. Cuando se encuentra en paralelo, la corriente de carga puede ser compartida por igual entre los dos módulos mediante la conexión de sus clavijas de circuito impreso. El VFK600 se puede configurar en dos modos diferentes para lograr el funcionamiento en paralelo, uno de ellos para el funcionamiento en paralelo y el otro para el funcionamiento redundante n+1, apto para cargas cuando se requiere energía de reserva.

VFK600, que proporciona hasta 700 W con una salida aislada, está empaquetado en un gabinete metálico resistente con disipador térmico integrado y es adecuado para su uso con un bus de CC intermedio. Ofrece un rango de entrada de 2:1 de una fuente de 18 a 36 V _CC o 36 a 77 V _CC, que se convierte en 12 a 48 V _CC. La fuente ofrece protección contra cortocircuito interno y control de encendido/apagado remoto.

Aunque las fuentes como la VFK600 contienen los componentes necesarios para trabajar en sistemas n+1, puede que otros diseños no, o bien se podría necesitar un enfoque a medida en el diseño de alimentación. Como resultado, se requiere un método para interconectar de forma segura múltiples fuentes de alimentación en paralelo. Una de las técnicas de uso común en los diseños n+1 es el uso de diodos de junta tórica Schottky para conectar fuentes de alimentación redundantes a un punto común en la carga.

Típicamente, un dispositivo de junta tórica es un diodo que se utiliza para proteger al sistema contra fallas, como cortocircuitos de la fuente de alimentación de entrada. Al permitir que la corriente fluya solo en una dirección, el diodo de junta tórica aísla la falla del bus redundante, lo que permite que el sistema siga en funcionamiento con las fuentes de alimentación restantes.

Un diodo desconectará efectivamente un cortocircuito en una fuente de energía de entrada de forma instantánea. Sin embargo, hay desventajas con respecto al uso de un diodo convencional. Un diodo en una aplicación de junta tórica pasa la mayor parte de su vida operativa en el modo conducción hacia adelante, lo que disipa la energía y el calor debido a la caída de tensión inherente del diodo, y que conduce a la necesidad de una mayor gestión térmica.

El problema con esta mayor disipación de potencia se ha hecho más evidente en los últimos años ya que las densidades de potencia han aumentado y, en aplicaciones como servidores de centros de datos, hay un fuerte impulso para reducir el costo de la refrigeración por aire forzada tanto como sea posible.

La sustitución del diodo de junta tórica con un MOSFET de canal N requiere un pequeño aumento en el nivel de complejidad, pero la mayor conductividad del MOSFET reduce la necesidad de disipadores térmicos del diodo y técnicas de gestión térmica similares en aplicaciones de alta potencia a costa de alguna complejidad del circuito adicional. Un ejemplo de un controlador diseñado específicamente para este propósito es el Texas Instruments LM5050-1. Es un controlador con junta tórica de nivel alto de voltaje positivo que impulsará que un MOSFET de canal N externo funcione como reemplazo para un diodo de junta tórica.

El voltaje a través de la fuente MOSFET y las clavijas de drenaje es controlado por el LM5050-1. Una clavija de salida de compuerta impulsa el MOSFET para controlar su operación a partir del voltaje del drenaje de la fuente controlado. El comportamiento resultante es la de un rectificador ideal: las clavijas de la fuente y drenaje del MOSFET funcionan como las clavijas ánodo y cátodo de un diodo, respectivamente.

Figura 1: Diagrama de bloque del TI LM5050-1.

El LM5050-1 está diseñado para regular el voltaje de compuerta MOSFET a la fuente si el voltaje a través de la fuente MOSFET y las clavijas de drenaje cae por debajo de aproximadamente 30 mV. A medida que cae el voltaje, el voltaje de la clavija de la compuerta se reducirá hasta que el voltaje a través del MOSFET se regule a 22 mV. Si la corriente de MOSFET se invierte, posiblemente debido a una falla de la alimentación de entrada de tal manera que el voltaje a través del drenaje y la fuente del MOSFET es más negativo que aproximadamente -30 mV, el LM5050-1 descargará rápidamente la compuerta MOSFET a través de un fuerte transistor de descarga.

Si el suministro de entrada falla bruscamente, como podría ocurrir si el suministro tuviera un cortocircuito directamente a tierra, una corriente inversa fluirá temporalmente a través del MOSFET hasta que la compuerta puede ser totalmente descargada. Esta corriente inversa se obtiene de la capacidad de carga y de las fuentes conectadas en paralelo. El LM5050-1 responde a una condición de inversión de voltaje típicamente dentro de 25 ns. El tiempo real requerido para apagar el MOSFET dependerá de la carga contenida por la capacitancia de la compuerta del MOSFET que se está utilizando. Según TI, un MOSFET con 47 nF de capacitancia de compuerta efectiva se puede apagar en típicamente 180 ns. Este tiempo de apagado rápido minimiza las alteraciones de voltaje en la salida, así como las corrientes transitorias de las fuentes redundantes.

Un cortocircuito abrupto de cero ohmios en la fuente de entrada hará que fluya la corriente inversa más alta posible mientras que los circuitos internos de control de LM5050-1 descargan la compuerta del MOSFET. Durante este tiempo, la corriente inversa solo está limitada por la resistencia en estado encendido del MOSFET, junto con las resistencias y las inductancias parásitas del cableado. La corriente inversa instantánea del peor de los casos típicamente se limitará a (V_salida - V_entrada)/R_{DS (encendido).}

Cuando el MOSFET se desconecta de una manera tan abrupta, la energía almacenada en las inductancias parásitas del cableado será transferida al resto del circuito. Como resultado, el LM5050-1 verá impulsos parásitos de voltaje en las clavijas de medición. La clavija conectada a la fuente puede ser protegida por el diodo al sujetar la clavija a tierra en la dirección negativa; la otra clavija puede ser protegida con un diodo de protección TVS, un capacitor de derivación local o ambos.

Una alternativa a los circuitos Active ORing discretos es optar por una versión empaquetada, como la serie Cool-ORing de dispositivos de Vicor. Estos combinan un controlador MOSFET ORing de alta velocidad y un MOSFET de resistencia activada muy baja en un paquete de matriz de cuadrícula en tierra (LGA) de 5 x 7 mm térmicamente mejorado de alta densidad. Estas soluciones logran una resistencia activada típica tan baja como 1.5 μΩ mientras que permite hasta 24 A de corriente de carga continua en un amplio rango de temperatura de funcionamiento. El diseño se puede utilizar en aplicaciones de baja tensión y nivel alto y, al tener el circuito de soporte junto, puede ahorrar espacio en la placa en comparación con las soluciones discretas. Los componentes ofrecen respuestas tan rápido como 80 ns ante condiciones de fallas. Una característica maestra/esclava permite la puesta en paralelo de los dispositivos para los requisitos de Active ORing de alta corriente.

Figura 2: Respuesta de la solución Cool-ORing de Picor ante condiciones de fallas.

Al permitir que las fuentes de alimentación se acoplen entre sí con seguridad, las soluciones ORing admiten la creación de sistemas de energía más fiables basados en la redundancia n+1 a un costo razonable para sistemas industriales y similares.