ホットスワップコントローラによるデータセンターの信頼性向上、MCCのアプリケーションノート AN1001
–TVSダイオードの統合に関するベストプラクティス
by MCC (https://solutions.mccsemi.com)
May 09, 2025
データセンターは、クラウドコンピューティングサービスの急速な拡大と人工知能（AI）の普及により、重大な課題に直面しています。この前例のない成長は、データ処理の需要増加を引き起こし、その結果、堅牢な電力管理システムの必要性が高まっています。
重大な懸念事項は、電源供給の障害リスクです。これらは広範なシステム障害を引き起こす可能性があり、データ損失や大幅なダウンタイムを招く可能性があります。
この問題に対処するため、データセンターではシステムを停止せずに特定のサーバアプリケーションボードを追加または交換できるホットスワップデバイスを導入しています。しかし、これらのソリューションだけでは不十分です。信頼性を完全に確保し、過渡的な電流や電圧のサージから保護するためには、ホットスワップコントローラに過渡電圧抑制素子（TVSダイオード）を組み込むことが不可欠です。
このアプリケーションノートでは、電源供給障害に伴うリスクを軽減し、システムの全体的な信頼性を向上させることを目的として、ホットスワップアプリケーションに適したTVSデバイスを選択する手順の概要を説明します。
データセンターの仕様と要件
データセンターの回路は極めて複雑です。ただし、電源のアーキテクチャを分析する際には、図1に示すように、ブロック図を簡素化して分かりやすくすることができます。
図1： 54V DCをベースにした電源アーキテクチャのブロック図.
従来、データセンターやサーバの電源供給システムは、12V DCをベースとしたアーキテクチャに依存してきました。しかし、データ管理要件と電力密度の急激な増加に伴い、電源供給の効率向上が不可欠な課題となっています。データセンターが、電気通信やITシステムで現在標準となりつつある48V～54V DCのアーキテクチャに移行するにつれて、この複雑さはさらに増しています。
このAC/DCコンバータの高電圧出力への移行は、単なる数値の変化ではありません。電流の流れと損失の最小化に大きく影響するため、全体的な効率を向上させます。この移行は、データセンターが増大する需要に対応しながら電力管理システムを最適化するという、多面的な課題に直面していることを反映しています。
ホットスワップシステムと過渡電圧サージの課題
データセンター運用の第一の目標は、中断なく継続的な運用を維持することです。これを実現するために、無停電電源装置（UPS）のシステムが導入され、ベースとなる電力システムがいかなる状況下でも稼働し続けることを保証し、障害を効果的に防止します。
ただし、DCブロックでは、電源供給の故障とは無関係なサーバの切断などの問題が発生する可能性があり、過渡的な寄生インダクタンスとキャパシタンスの影響による問題が生じ、データセンターの信頼性が危険にさらされる可能性があります。
容量性突入電流を管理するために、ホットスワップ回路は、基板交換時に接続されているサーバに損傷を与える可能性のあるピーク電流を制御します。
図1に示すように、これらの回路は、負荷に障害が発生した場合に過電流による損傷を回避するためにMOSFET Q1をオフにして、障害が発生したサーバを安全に切り離します。
このように、適切なホットスワップ設計を採用しても、バックプレーンからスワップカード接続部への寄生インダクタンスが、故障した負荷が切り離された際に誘導性キックバックを引き起こすことを防ぐことはできません。この現象は、ホットスワップコントローラが検出した過電流が負荷の切断中に依然として流れようとするため、アーク発生のリスクが生じるからです。
損傷を防ぐため、この過電圧を回路から逃がして安全に放電する必要があります。これがTVSダイオードが不可欠な理由です。TVSダイオードは、誘導性過電圧過渡現象時に十分な保護を提供するため、電源と並列に接続する必要があります。これらのクランプダイオードは、アバランシェ効果を利用して電圧を制限することでシステムを保護します。
適切なTVSダイオードを選択する際は、添付のPDFに記載されている9ステップのアプローチに従ってください。
