高電力機器のホットスワップ回路：高い信頼性を確保する設計とは（1/4 ページ）

　まず、ブレードがバックプレーンに接続される場合、コネクタ端子はバウンシングしながら接触することになる。ホット状態における接続なのでバウンシングは電気信号に反映され、ブレードに印加される電源電圧に断続（チャタリング）が発生する。

　コネクタが接続された後は、バックプレーン電源からブレード上の電源ラインにあるコンデンサへの急速な充電が開始される。その際には、大きな突入電流が発生することなる。これは、一般的には数マイクロ秒の期間のパルスとなる。この突入電流によってコネクタ端子にアーク放電が発生したり、バックプレーンの電源ラインの電圧が一時的に低下するブラウンアウトが発生したりする。また、この突入電流によって、バックプレーン電源が過負荷状態になって停止したり、ほかのブレードの異常動作を引き起こしたりする可能性もある。つまり、ホットスワップにおいては、電源の断続や突入電流への対処が必要になるという課題がある。

ホットスワップ回路の役割

　上述した課題への対処例が図1に示したホットスワップ回路である。この回路で実現する機能は次のようなものとなる。まず、電源の断続に対しては、コネクタ端子が完全に接続されるまでMOSFETおよびDC-DCコンバータをオフに保ち、完全に接続して状態が安定したらMOSFETをオンにすること。また、突入電流に対しては、電流検出抵抗によってそれを監視し、大きな突入電流を制限するようにMOSFETを制御することである。

図1　ブレードにおけるホットスワップ回路の概念図　DC-DCコンバータは、グラウンド端子からショットキーダイオードを経由して供給される電源により動作する。また、ブレードにおけるメイン回路の電源スイッチの役割も果たす。DC-DCコンバータの入力端子間に挿入されたホールドオフコンデンサは、バックプレーン電源のブラウンアウト時に同コンバータの電力源となり、基板全体の正常動作を一定の時間維持する役割を果たす。ホットスワップコントローラは電流検出抵抗とV_MOSFET信号を利用してMOSFETの電流や電圧をモニターし、ホットスワップ時の突入電流を制御する。

　ホットスワップ回路が備えなければならない機能は、これら2つだけではない。例えば、突入電流を制限した後に、ブレードのメイン回路に対する電源供給を開始する必要がある。これについては、突入電流によりホールドオフコンデンサが充電されるので、その電圧の変化を監視することによって電源供給のタイミングを判定できるだろう。つまり、V_MOSFET端子電圧が−48Vになった際にDC-DCコンバータをオンにして、メイン回路に電源を供給するということだ。

　このホールドオフコンデンサには、ほかのブレードの挿入に伴ってバックプレーン電源がブラウンアウトした場合に、ブレードの電源電圧を維持して正常動作を保つ役割がある。このコンデンサに必要な容量は、ブレードの消費電力と電圧低下を補償すべき期間に比例する。

　また、電源のグラウンドラインに挿入されているショットキーダイオードは、ブラウンアウト時に電流がホールドオフコンデンサからバックプレーンに逆流するのを防止する役割を果たす。

　ホールドオフコンデンサによって、ある程度の時間はブラウンアウトに対応することができる。ただし、電圧が低下している時間が長い場合は、システムで異常が発生している可能性があるので、安全を確保するために、ホットスワップ回路には、電源入力を遮断してブレードのメイン回路を保護することと、バックプレーンの電源電圧が正常に戻るのを監視することが求められる。また、過小電圧や過大電流といった電源の異常を検出して電源を遮断する機能も必要だろう。もちろん、このような異常が発生した後も、電源の正常復帰を監視して正常ならば電源供給を再開する必要がある。