El controlador de intercambio en caliente controla e informa del estado de la fuente de alimentación

Los sistemas de alta disponibilidad están diseñados para alcanzar un ideal de tiempo de inactividad cero. Para lograr este objetivo, el sistema debe ser capaz de funcionar durante las operaciones rutinarias de mantenimiento y actualización, que a menudo implican la inserción y retirada de tarjetas de una placa base en funcionamiento. Estos sistemas también deben diseñarse para un funcionamiento a prueba de fallos, aislando las tarjetas defectuosas antes de que provoquen perturbaciones en el backplane.

El intercambio en caliente requiere un interruptor de alimentación para aislar inicialmente la placa, y un controlador que encienda el interruptor lentamente para minimizar las perturbaciones de la placa base. Como el controlador de intercambio en caliente supervisa la tensión y la corriente de la placa, es un lugar obvio para integrar la supervisión de nivel superior con un convertidor de datos. Esto proporciona información detallada sobre la salud de la ruta de alimentación y el consumo de energía de los circuitos posteriores. Esta información puede utilizarse para supervisar el rendimiento a lo largo del tiempo e identificar las placas que se desvían hacia el fracaso o el rendimiento marginal.

El LTC4215 combina un robusto circuito de intercambio en caliente con una I2C y un convertidor de datos para proporcionar la supervisión de la energía, así como la funcionalidad de intercambio en caliente y el aislamiento de fallos (véase la Tabla 1). En una aplicación típica, el LTC4215 utiliza un transistor de paso de canal N externo para aislar la placa intercambiada en caliente de la placa base cuando se inserta por primera vez (Figura 1). Tras un tiempo de depuración, el controlador puede empezar a alimentar la placa o esperar una orden de encendido de un procesador anfitrión. La potencia se incrementa gradualmente para minimizar cualquier perturbación en la placa base. Una vez finalizado el proceso de encendido, el LTC4215 sigue vigilando si hay fallos en la ruta de alimentación.

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Figura 1: En una aplicación típica, el LTC4215 utiliza un transistor de paso de canal N externo para aislar la placa intercambiada en caliente de la placa base cuando se inserta por primera vez. Tras un tiempo de desbloqueo, el controlador puede empezar a alimentar la tarjeta o esperar una orden de encendido de un procesador anfitrión. La potencia se incrementa gradualmente para minimizar cualquier perturbación en la placa base. Una vez finalizado el proceso de encendido, el LTC4215 sigue vigilando si hay fallos en la ruta de alimentación.

Tabla 1. Algunas de las muchas características del LTC4215
CaracterísticaBeneficios
Amplio rango de tensión de entrada : Funciona con entradas de 2,9V a 15V, con un máximo absoluto de 24V❏ Apto para sistemas de 3,3V, 5V y 12V
❏ Simplifica el diseño, ya que la pieza funciona con una alimentación semirregulada
❏ El amplio rango de sobretensiones transitorias facilita las tolerancias de diseño para la protección transitoria
aDC de 8 bits: El ADC controla la corriente, la tensión de salida y la tensión de la clavija externa y mide la corriente de apagado del FET para determinar los fallos del mismo❏ Aumenta la fiabilidad
❏ La información sobre la alimentación de la tarjeta proporciona una advertencia temprana de un fallo de la tarjeta
❏ Comprueba que la tarjeta se mantiene dentro del límite de potencia asignado
❏ Comprueba la integridad de las vías de alimentación redundantes
❏ Permite la gestión activa de la energía para maximizar de forma segura el uso de la energía dentro del
limitaciones de la refrigeración del chasis
I2C/SMBus : Se comunica como dispositivo esclavo de lectura-escritura mediante una interfaz serie de 2 hilos❏ Mejora la integración con el sistema anfitrión. La interfaz permite al host configurar
la pieza, determinar qué fallos están presentes o se han producido, y leer las mediciones del CAD
medidas
Respuesta rápida a los cortocircuitos: Respuesta rápida (<1µs) del límite de corriente a los cortocircuitos❏ Protege el conector contra la sobrecorriente
❏ Limita las perturbaciones de la potencia de entrada debidas a un cortocircuito
Alerta al host después de los fallos: Cuando está configurado
(utilizando I2C), los fallos activan un pull-down activo en el ALERTA pino

❏ La interrupción del host para la reparación inmediata del fallo limita los daños del sistema
❏ Reduce el tráfico del bus para el sondeo

El LTC4215 proporciona los medios para medir cuantitativamente la corriente y las tensiones de la placa con un ADC y un multiplexor incorporados. Comunica esta información mediante el I2C cuando es consultado por un procesador anfitrión. El dispositivo interrumpe al host por condiciones de fallo específicas, si está configurado para ello.

El LTC4215 funciona en aplicaciones desde 12V (con transitorios de hasta 24V) hasta 3,3V, donde la tensión de entrada de funcionamiento podría caer hasta 2,9V. Funcionalmente, el LTC4215 es muy similar al LTC4260 (Tecnología linealla tabla 2 compara las principales características del LTC4215 y del LTC4260. En la Tabla 2 se comparan las principales características del LTC4215 y del LTC4260. Hay que prestar especial atención a la secuencia de encendido debido a la adición de una patilla de arranque suave y a algunos cambios en la función de la patilla TIMER en comparación con el LTC4260. Como ambas piezas pueden utilizarse para sistemas de 12 V, la Tabla 2 puede utilizarse para seleccionar la pieza con el conjunto óptimo de características para una aplicación específica de 12 V.

Tabla 2. Comparación entre el LTC4260 y el LTC4215
CaracterísticaLTC4215LTC4260
VDD Abs Max24V100V
VDD Min2.9V8.5V
Recomienda TransZorb para 12VNo
Limitador de corriente/disyuntor25mV50mV
Disyuntor de precisión10%10%
Precisión del límite de corriente (FB = 0)35%25%
Límite de corriente al disyuntor VTH75mV, 25mVAmbos 50mV
Límite de corriente de retrocesoSólo durante la puesta en marchaSiempre
Red de puertas RCOpcionalRequerido
Arranque suaveSí, es necesarioNo
Pin del temporizadorOpcionalRequerido
Temporizador OC20µsExterior/Adjustable
∆VPUERTA a 12V (0µA)6V8.5V
Umbral de sobretensión integrado15.6VNo
Fuente ADC LSB60mV400mV
ADC VSENTIDO LSB151µV300µV
ADC ADIN LSB4.85mV10mV
V generado internamenteCC3.1V5.5V
PaqueteqFN 4mm × 5mm5mm × 5mm QFN

Un transistor de paso de canal N, Q1, controla la aplicación de energía a la placa como en la Figura 1. Una resistencia de detección en serie, RS, permite al LTC4215 medir la corriente en el circuito eléctrico. La resistencia R5 suprime las autooscilaciones de Q1. Las resistencias R1-R3 seleccionan los umbrales de subtensión (UV) y sobretensión (OV). Condensador CF permite filtrar estos umbrales según sea necesario. R7 y R8 seleccionan el umbral de potencia y fijan el nivel de límite de corriente de retroceso. El condensador CSS define una velocidad de giro máxima para controlar la corriente de entrada y CTEMPORIZADOR se utiliza para fijar la hora de inicio. C3 se utiliza para puentear la tensión interna del núcleo.

En general, las clavijas del conector están escalonadas de manera que la alimentación de tierra se aplica primero con las clavijas más largas, seguida de las líneas de comunicación en las clavijas de longitud media y, por último, las líneas de control de intercambio en caliente, como la alimentación para UV, OV o ES alfileres. Los rayos UV, OV y ES los pines deben estar en el estado correcto durante un periodo de depuración programable de 100 ms antes de que Q1 pueda encenderse. En este punto, la clavija ON enciende inmediatamente la pieza si está alta, o la mantiene apagada si está baja. Cuando el pin ON se mantiene bajo, Q1 se enciende a través de la I2C escribiendo en el bit ON del registro de control.

La monitorización de la tensión y la corriente de la fuente de alimentación en tiempo real es una forma útil de seguir la salud de la ruta de alimentación. Los nuevos datos pueden compararse con los datos históricos de la misma placa para detectar cambios en el consumo de energía que puedan indicar que la placa se está comportando de forma anormal. Un tablero anormal puede detenerse y notificarse para su reparación, quizás antes de que se produzca un fallo más grave o un mal funcionamiento del sistema. El LTC4215 incluye un convertidor de datos de 8 bits que monitoriza continuamente tres tensiones: el pin ADIN, el pin SOURCE y la tensión de detección de corriente entre el pin SENSE+ (VDD) y los pines SENSE-. El pin ADIN es una entrada ADC no comprometida que permite al usuario controlar cualquier tensión disponible.

El pin ADIN se controla con una escala completa de 1,235V. El pin ADIN se conecta directamente a la entrada de un convertidor de datos sin ningún tipo de escalado de la señal. El pin SOURCE utiliza un divisor 1:12,5 en la entrada, lo que da una escala completa de 15,4V. El amplificador de tensión SENSE tiene una ganancia de tensión de 32, lo que da una escala completa de 38,4 mV. El convertidor utiliza un sofisticado método de sobremuestreo y cancelación de offset que conserva todo el rango dinámico de 8 bits en el canal SENSE.

Si el convertidor de datos lee más de 1mV en el VDD-SENSE mientras el interruptor externo está apagado, el LTC4215 genera un fallo FET-SHORT para indicar que el interruptor puede estar dañado. La presencia de esta condición se indica en el bit C5 del registro STATUS y se registra en el bit D5 del registro FAULT. El LTC4215 no realiza ninguna acción en esta condición, aparte de registrar el fallo y generar una alerta si está configurado para ello.

Los resultados de cada conversión se almacenan en tres registros del ADC (ver Tabla 3) y se actualizan 10 veces por segundo. Al activar el bit del registro de control del modo de prueba, se detiene el convertidor de datos para que se puedan escribir y leer los registros para la prueba de software.

Tabla 3. Registros del LTC4215
Regístrate enDescripción
CONTROLEste registro activa o desactiva el transistor de paso y determina si la pieza realiza un intento automático o un bloqueo tras un fallo. También configura el comportamiento del pin GPIO.
ALERTAEl registro de Alerta habilita los fallos que interrumpen al anfitrión mediante el ALERTA pin. En el encendido, el valor por defecto es no alertar de los fallos.
ESTADOEl registro de estado proporciona el transistor de conmutación (encendido/apagado), ES (arriba/abajo) y GPIO (arriba/abajo). También enumera cinco condiciones de fallo.
FALLOEl registro de fallos registra sobrecorrientes, sobretensiones, subtensiones, fallos de alimentación, cortocircuitos de FET y fallos de alimentación ES fallos de estado alterados.
SENTIDODatos del CAD para VDD-Medición de la tensión SENSE.
FUENTEDatos del ADC para medir la tensión del pin SOURCE.
ADINDatos del ADC para medir la tensión del pin ADIN.

Una vez que las entradas del LTC4215 alcanzan los valores correctos para que la pieza active el interruptor externo y ha transcurrido un temporizador de depuración interno de 100 ms, el LTC4215 se enciende. El tiempo de inicio viene determinado por el condensador del pin TIMER, o 100ms si el pin TIMER está ligado a VDC. Durante este tiempo, el disyuntor se desactiva para evitar que se produzca un fallo de sobrecorriente, la señal de encendido del pin GPIO también se desactiva para evitar que se encienda una carga antes de que el límite de corriente haya alcanzado su valor máximo a través de los pines de Arranque Suave y Foldback. La velocidad de giro de la corriente de irrupción (dI/dt) está limitada por el pin SS. La corriente de irrupción también se pliega de 25mV a 10mV a través del pin FB. Se puede utilizar una red RC opcional en la puerta del MOSFET externo para ajustar la corriente de irrupción por debajo del nivel de repliegue, definiendo la pendiente máxima de la tensión de salida. Los diferentes perfiles de corriente de irrupción que se pueden conseguir con estos tres métodos se detallan en las Figuras 2 a 6, que muestran un sistema de 12V con una resistencia de detección de 25mΩ, o un límite de corriente de 1A, que comienza en una carga capacitiva de 470µF.

Figura 2. La corriente de irrupción está limitada por el repliegue. Esto permite el arranque más rápido de la carga, con una corriente de arranque que dura sólo 9 ms con una corriente de pico de 1 A.

Al final del periodo de arranque, se comprueba el circuito de limitación de corriente. Si el límite de corriente sigue regulando la corriente, el LTC4215 determina que la salida no se ha encendido y genera un fallo de sobrecorriente. Si el circuito de limitación de corriente no está activo, el umbral de limitación de corriente se desplaza a 75mV, se activa la señal de encendido del pin GPIO y se arma el interruptor de 25mV.

El pin SS establece el límite de velocidad de giro de la corriente en el arranque. Comienza en tierra, lo que corresponde a una tensión negativa en la resistencia de detección y hace que el MOSFET se apague. Una corriente en el condensador de arranque suave produce una rampa que corresponde a un aumento de VDD-Tensión del SENTIDO. Cuando el circuito limitador de corriente libera la puerta (cuando la tensión VDD-SENSE pasa a positivo), la corriente de la patilla SS se apaga para esperar a que la patilla GATE suba y comience a encender el MOSFET. Una vez que el circuito limitador de corriente comienza a regular la tensión VDD-SENSE, la corriente del pin SS se reanuda y la rampa continúa hasta alcanzar el nivel de retroceso. Es importante que la clavija SS deje de hacer la rampa mientras la clavija GATE está girando, de lo contrario la rampa continuará y dará lugar a un aumento incontrolado de la corriente una vez que se alcance el umbral del MOSFET. Un aumento incontrolado puede violar las especificaciones de consumo de corriente y causar problemas de alimentación en la placa base.

Figura 3. La corriente de entrada está limitada por un condensador SS de 1µF. Esto permite el arranque más rápido en un sistema con requisitos de velocidad de giro de la corriente de entrada elevada. La dI/dt de la corriente de irrupción se reduce a 12mA/ms.

Si la rampa de arranque suave alcanza el nivel de retroceso, el circuito de retroceso detiene la rampa, como se muestra en la figura 5. La rampa puede continuar a medida que aumenta la tensión en la patilla FB y aumenta el límite de la corriente de retroceso, todavía limitada en su pendiente y limitada también en su magnitud por el retroceso.

Figura 4. La corriente de entrada está limitada por un condensador GATE de 0,1µF. Esto minimiza la potencia del interruptor, permitiendo utilizar componentes más pequeños a costa de la velocidad. La corriente de entrada es de sólo 100mA, pero el arranque tarda 55ms.

Figura 5. La corriente de entrada está limitada por un condensador SS de 68nF y por el FB. El arranque suave controla la velocidad de giro de la corriente de irrupción, mientras que el límite de corriente se modula mediante el repliegue. Esto permite una puesta en marcha más rápida, a la vez que protege la placa base de la sobrecarga de corriente.

Si se coloca una red RC en el pin GATE para ajustar manualmente la corriente de entrada a un valor inferior al nivel de retroceso (Figura 4), el circuito limitador de corriente saldrá del control cuando no pueda alcanzar la VDD-Tensión SENSE controlada por los pines SS y FB. Si el temporizador de arranque expira durante este consumo de corriente, no se genera un fallo de sobrecorriente porque el límite de corriente no está activo. La salida GPIO power-good puede retransmitir el estado de la patilla FB, y el disyuntor se activa. O bien la tensión de salida termina de subir y se activa una señal de alimentación cuando el pin FB cruza su umbral de 1,235 V, o bien la corriente alcanza el umbral del interruptor y la pieza genera un fallo de sobrecorriente.

Figura 6. Corriente de entrada con un condensador SS de 1µF y un condensador GATE de 0,1µF. El arranque suave limita la velocidad de giro de la corriente de irrupción hasta que el condensador GATE limita la corriente de irrupción limitando el dV/dt en la salida. Esto minimiza la potencia en el interruptor, a la vez que protege la placa base de la sobrecarga de corriente de entrada.

En caso de que se produzca una condición de sobrecorriente tras el arranque, el circuito limitador de corriente limita la VDD-SENSE a 75mV mientras el disyuntor espera un retardo de 20µs antes de producir un fallo de sobrecorriente. Tras un fallo de sobreintensidad, la pieza espera un periodo de enfriamiento de 50 veces el tiempo de arranque antes de permitir que la pieza se reinicie por cualquier medio, incluido el reinicio automático, I2C, o bien, encendiendo el ciclo de ESlos pines UV u ON.

Cuando el LTC4215 se apaga por un fallo o I2C, la patilla GATE se pone a nivel bajo con una fuente de corriente de 1mA. Una vez que la patilla GATE está por debajo de la patilla SOURCE, se enciende un diodo entre SOURCE y GATE y la tensión de la patilla SOURCE se descarga con la misma corriente de 1mA.

Si hay un cortocircuito que hace que la tensión de detección supere los 75 mV, un pull-down de 400 mA de GATE a SOURCE elimina la carga de la puerta del interruptor. Una vez que la tensión de detección cae a 75mV, el límite de corriente la regula durante 20µs antes de desactivar la puerta con la fuente de corriente de 1mA.

Si hay una gran inductancia entre VDD (SENSE+) y la capacitancia de tierra, a través de un conector, por ejemplo, es posible que un cortocircuito en la salida con un tiempo de subida muy rápido provoque el colapso de la tensión de entrada mientras gira la corriente a través de este inductor. En este caso, después de 2µs, la tensión VDD el circuito de pinza de subtensión enciende y descarga la patilla GATE con el pull-down de 400 mA a la patilla SOURCE y apaga rápidamente el interruptor.

Para suministros con tensiones más bajas y corrientes más altas, un umbral de ruptura de 50 mV puede provocar una disipación de energía excesiva en la resistencia sensora, o recortar excesivamente la tolerancia de la tensión de entrada de los circuitos posteriores. Para reducir este problema, el LTC4215 tiene un interruptor de precisión de 25 mV con una baja tolerancia del 10%. Esto permite utilizar resistencias de detección más pequeñas y baratas con una potencia menor.

En los sistemas en los que el disyuntor sólo tiene un 20% de precisión, el diseñador debe ser capaz de suministrar de forma segura un 40% más de potencia de la que realmente consume la placa, para garantizar que la ranura no sufra límites de calor y potencia en el lado de alta o produzca un fallo durante el funcionamiento normal en el lado de baja. La precisión del 10% del LTC4215 reduce esta banda de protección a la mitad y permite utilizar con seguridad un 20% más de potencia que una ranura con un interruptor de precisión del 20%.

El sitio ES puede utilizarse para detectar la inserción de la tarjeta cuando el LTC4215 se utiliza en una aplicación de placa base residente. Una clavija corta en el conector tira ES a tierra una vez que se han conectado las otras clavijas más largas. Una vez que el ES cruza su umbral de caída de 1,107 V, el LTC4215 activa el interruptor externo tras un tiempo de rebote de 100 ms. Como un flanco descendente en el ES corresponde a la inserción de una nueva tarjeta, el LTC4215 borra el registro de fallos (excepto el ES Bit de Estado Cambiado) para que un fallo registrado anteriormente no impida el arranque de la nueva tarjeta. Siempre que el ES el husillo sube o baja, el ES El bit de estado modificado del registro FALLO se establece para indicar que se ha insertado o retirado una tarjeta. Un bit del registro STATUS contiene el complemento del ES para indicar si hay una tarjeta presente. Cuando la tarjeta está desconectada, el acceso directo ES pin es el primero que se desconecta. El sitio ES la patilla tira hacia arriba con una fuente de corriente interna de 10µA hasta que la tensión alcanza el umbral de subida de 1,235V, momento en el que el interruptor externo se desactiva con una corriente de 1mA.

El LTC4215 es una pasarela de alimentación inteligente para circuitos intercambiables en caliente. Aísla los fallos, vigila de cerca la salud de la ruta de alimentación y ofrece un nivel de control sin precedentes sobre el perfil de la corriente de irrupción. Registra los fallos, proporciona información de estado en tiempo real y puede interrumpir el host si es necesario. Mientras tanto, un ADC interno de 8 bits controla continuamente la corriente y los voltajes de la placa. Estas características hacen del LTC4215 una pasarela de energía ideal para sistemas de alta disponibilidad.

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