熱插拔功能的電源模塊應(yīng)用與熱插拔運(yùn)行中的安全控制

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結(jié)構(gòu)原理

頁(yè)面更新時(shí)間：2016-02-28 09:06

　　1前言
　　
　　帶電插撥功能同時(shí)也稱為熱插拔功能，在電源設(shè)計(jì)中是非常重要的。在采用故障容限電源架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)中，都要求帶有熱插拔功能以滿足零停機(jī)時(shí)間的要求。在現(xiàn)代模擬通信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通常都必需滿足這個(gè)要求。
　　
　　實(shí)際上，許多大型電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都采用插入到機(jī)架內(nèi)共同背板上的多個(gè)電路板或刀片來構(gòu)建。由于現(xiàn)代刀片具有更高級(jí)的功能，需要消耗更多的功率，如高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu)（ATCA）刀片消耗的功率約≥200W。而背板為刀片以及它們之間的通信提供電源(如+48V、-48V、12V)。由于背板電源始終處于開啟狀態(tài)，因此被稱為“熱”或者“運(yùn)行著”的背板。刀片必須插入機(jī)架而不能影響背板上其余刀片的工作。最新插入的刀片將利用背板的電源工作。如果檢測(cè)到刀片發(fā)生故障，必須從插槽中把這個(gè)刀片拔掉，再把新的刀片插入同一個(gè)插槽以恢復(fù)服務(wù)。把刀片插入運(yùn)行中的背板或者從插槽中拔掉的過程稱為“熱插拔”。可以支持這個(gè)功能的刀片稱為“可熱插拔”的刀片。
　　
　　因此本文將介紹以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：①采用具有熱插拔功能的電源模塊組成48V分布式電源結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)問題；②用熱插拔控制器電路解決多個(gè)電路板或刀片熱插拔運(yùn)行中的安會(huì)問題。
　　
　　2 熱插拔功能的電源模塊(如IAM型)組成48V分布式電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則
　　
　　熱插拔功能對(duì)于確保熱插拔元件的安全特別重要。此外，在熱插拔過程中，熱插拔功能需避免對(duì)輸入和輸出電源線電壓產(chǎn)生明顯波動(dòng)。任何母線電壓產(chǎn)生明顯的即使是瞬間波動(dòng)，都可能引起系統(tǒng)工作不正常。在常用的接插件中，各個(gè)接頭不是同時(shí)接通或同時(shí)斷開，而是有規(guī)律地逐次接通或逐次斷開。因此，必須分步驟保證電源按順序接通或斷開。
　　
　　為滿足上述要求，所以熱插拔功能的電源模塊(如IAM型)組成48V分布式電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：
　　
　　①帶電插拔時(shí)，各種參數(shù)決不能超過各元件的極限值或絕對(duì)最大額定值；
　　
　　②帶電插入電源模塊(IAM)，浪涌電流必須限制在可接受的數(shù)值，以免48V輸入母線電壓中斷或跌落，同時(shí)減小各接點(diǎn)之間產(chǎn)生的火花；
　　
　　③帶電插入DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，該轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流必須限制在額定值以內(nèi)，保證輸出母線電壓Vout平穩(wěn)并且不產(chǎn)生影響調(diào)整率的突變；
　　
　　④負(fù)載斷開或者未接取樣線時(shí)，決不允許DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸能量，即產(chǎn)生功率突變。
　　
　　2.1帶電插入的模塊應(yīng)具有的功能
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)規(guī)則，在每只可帶電插入的模塊(IAM)中應(yīng)當(dāng)加入簡(jiǎn)單的保護(hù)和定序電路，這樣可保證電源模塊拔出時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器在負(fù)載切斷或取樣線中斷以前就關(guān)斷。同時(shí)，電源模塊(IAM)帶電插入時(shí)，其所有輸入和輸出端都接通以前，DC-DC轉(zhuǎn)換器暫時(shí)保持關(guān)斷狀態(tài)。否則帶電插拔時(shí)，連接器接點(diǎn)無規(guī)律的通電和斷電，有可能損壞DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，甚至損壞整個(gè)系統(tǒng)。
　　
　　2.2電源模塊中應(yīng)加入某些均流控制電路
　　
　　眾所周知，對(duì)故障容限首要并且是最重要的要求是冗余度，也就是說，在電源系統(tǒng)中，至少應(yīng)有一臺(tái)額外的轉(zhuǎn)換器或者說有一臺(tái)冗余轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)通常稱為N+M配置，其中，N臺(tái)轉(zhuǎn)換器可滿足負(fù)載要求的功率，M臺(tái)轉(zhuǎn)換器模塊作備用。應(yīng)用過程中，一臺(tái)轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷或發(fā)生故障時(shí)，盡管每臺(tái)模塊的負(fù)載電流突然增加，但是其他模塊仍可保證系統(tǒng)輸出功率不受任何影響。同樣，當(dāng)一臺(tái)附加的轉(zhuǎn)換器模塊接入電源系統(tǒng)后，盡管每臺(tái)電源模塊的負(fù)載電流突然減小，系統(tǒng)的輸出功率也不受任何影響。為此，各臺(tái)轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有均流能力，并且應(yīng)盡量減小每臺(tái)模塊恢復(fù)正常供電所需的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。所以，為了負(fù)載自動(dòng)均流，電源模塊中應(yīng)加入某些均流控制電路。電源模塊的工作溫度對(duì)可靠性有很大影響，工作溫度每降低10℃，平均無故障時(shí)間可延長(zhǎng)一倍。實(shí)踐證明，在電源系統(tǒng)中，一臺(tái)模塊輸出電流為另一臺(tái)模塊輸出電流的二倍時(shí)，該電源模塊的溫升將增加一倍。
　　
　　3 應(yīng)用第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器與熱插拔功能的電源模塊(IAM48)構(gòu)建的48V分布式電源方案
　　
　　3.1第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊特性
　　
　　今使用的是Vicor的第二代轉(zhuǎn)換器模塊，它具有一些極好的特性，大大簡(jiǎn)化了在并聯(lián)冗余系統(tǒng)中的應(yīng)用。第二代轉(zhuǎn)換器模塊重要的特性包括：使能和關(guān)斷、獨(dú)特的主從均流控制及自主指揮功能，其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊在整個(gè)系統(tǒng)中總處于主控地位；還具有一些普通的特性，比如欠壓封鎖、軟起動(dòng)、輸出限流和遠(yuǎn)距離取樣等。尤其是Vicor轉(zhuǎn)換器采用零電流諧振開關(guān)。即，控制開關(guān)頻率和從隔離轉(zhuǎn)換器初級(jí)傳送到次級(jí)的能量脈沖速率，即可達(dá)到要求的電源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。在任意給定輸入電壓下，脈沖寬度是恒定的，因此，每個(gè)脈沖的能量也是恒定的。在維持輸出電壓穩(wěn)定的情況下，為了滿足負(fù)載電流的要求，可以控制脈沖重復(fù)率(即開關(guān)頻率)，因此，各模塊的開關(guān)頻率完全同步的話，相同模塊可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。

　　由圖1可知，第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊上的PR腳是一個(gè)雙向端口，它可連接并聯(lián)均流母線。該端口可以接收或傳輸同步脈沖信號(hào)，可控制轉(zhuǎn)換器模塊傳輸同步工作，所有其他模塊均接受同步脈沖，保證所有模塊同頻率工作。PC(初級(jí)控制)腳也是一個(gè)雙向端口。該端口用作模塊狀態(tài)輸出，在轉(zhuǎn)換器工作過程中，該腳直流電壓為6Vdc，在故障狀況下，比如過熱或輸出過壓時(shí)，PC腳將變?yōu)榈碗娖?對(duì)負(fù)輸入腳-Vin的電壓接近0V)。在故障繼續(xù)存在的情況下，PC腳周期地轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖讲⒈M力使轉(zhuǎn)換器模塊重新起動(dòng)。只有故障狀態(tài)消除后，PC腳才可能保持高電平。PC腳也可作使能/關(guān)斷輸入腳，如果PC腳外接低電平，轉(zhuǎn)換器則關(guān)斷。PC腳維持低電平時(shí)，輸出電流接近2mA。為了完成使能/關(guān)斷功能，可采用開路集電極或漏極晶體管開關(guān)(見圖1所示的Q3)。
　　
　　取樣腳S用于提高輸出終端電源母線電壓的穩(wěn)定精度，通常電源系統(tǒng)的負(fù)載都接在輸出終端電源母線上。終端取樣閉合調(diào)整控制回路，調(diào)整轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vout，以便補(bǔ)償輸出母線Vout(在圖1左端扦件上)上產(chǎn)生的電壓降。取樣腳終端接法是維持輸出電壓控制所必須的。在故障容限并聯(lián)冗余系統(tǒng)中，每臺(tái)轉(zhuǎn)換器模塊的輸出端Vout到電源母線(在圖1左端扦件上)必須串入一只二極管。在輸出母線上二極管的共陰極，總輸出電流為各DC-DC轉(zhuǎn)換器之和。這樣任何模塊出現(xiàn)包括輸出短路的任何故障狀態(tài)時(shí)，都可確保母線和電源系統(tǒng)可靠工作。當(dāng)模塊的輸出電壓降低時(shí)，串聯(lián)二極管承受反向電壓，因此，可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)電源母線與轉(zhuǎn)換器隔離。每臺(tái)模塊的取樣線必須接在串聯(lián)二極管的前面，并且最好接在熱插拔插頭的前面，可以確保電源模塊插拔過程中，轉(zhuǎn)換器控制回路不會(huì)出現(xiàn)任何瞬間開路。該電阻的最佳阻值為24Ω/V，也就是說，該電阻的阻值決定于輸出電壓。例如，輸出電壓為5V時(shí)，最好選用120Ω電阻。
　　
　　總之，具有熱插拔功能的電源模塊應(yīng)具有以下特點(diǎn)：拔出前電源模塊應(yīng)當(dāng)關(guān)斷；插入時(shí)，電源模塊應(yīng)處于暫時(shí)關(guān)斷；電源模塊應(yīng)能限制浪涌電流。
　　
　　3.2IAM48模塊的應(yīng)用
　　
　　IAM48輸入功率調(diào)整模塊Vin為36V-76V、10A，而Vout為+75V～-75V，其效率為97%。
　　
　　IAM48模塊含有一只串聯(lián)FET開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)48V母線到DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入的通斷控制。通斷控制腳on/off(見圖1中IAM48模塊的引腳)內(nèi)部有上拉電路，并且為了將48V母線與DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊接通，通斷控制器必須拉到低電平。該模塊內(nèi)兩輸出端(+Vout與-Vout)之間還有一個(gè)并聯(lián)開關(guān)。當(dāng)通斷控制腳對(duì)48V母線負(fù)極為高電平(斷開)時(shí)，該并聯(lián)開關(guān)處于導(dǎo)適狀態(tài)。當(dāng)48V母線關(guān)斷時(shí)，母線上的保持電容可通過并聯(lián)開關(guān)迅速放電。除了通斷控制功能外，IAM48模塊還具有限制浪捅電流的功能，并且與FiltMod模塊或EMI濾波器模塊配合，還可完成瞬變過電壓保護(hù)。通信設(shè)備中為了滿足EMC{電磁兼容)標(biāo)準(zhǔn)，通常都采用IAM48和FiltMod模塊(見圖1中FiltMod模塊與IAM48模塊的連接)。在通信設(shè)備中，都要求電源模塊具有熱插拔功能，因此，應(yīng)選用lAM48電源模塊或其他可限制浪涌電流的模塊。　　
　　3.3FiltMod模塊特征
　　
　　VI-IAM(即FiltMod模塊)輸入衰減模塊是一只元件級(jí)的DC輸入前端濾波器，它的特點(diǎn)是占用很少的空間，同時(shí)提供最大的保護(hù)效能，適用于精密的電子系統(tǒng)。VI-IAM可與Vicor的24V、48V或300V輸入模塊配套使用，組成高效率、高功率密度的電源系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸出電壓由1V至95V，功率達(dá)400W（可擴(kuò)展至800W）。利用VI-IAM可組成體積少、高效及可靠的電源系統(tǒng)，滿足電訊和工業(yè)應(yīng)用的最高要求。
　　
　　3.4電源模塊插入電源母線時(shí)的起動(dòng)順序
　　
　　首先，除了短引腳外，接插件的所有引腳都按無規(guī)律的順序接通，此外，轉(zhuǎn)換器并不能起動(dòng)。因?yàn)橥〝嗫刂贫桃_并未接通，該腳通過晶體管Ql使IAM48模塊維持關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí)，晶體管Q3還把DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊的PC腳拉到低電平，因此，轉(zhuǎn)換器模塊處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)所有其他引腳都接好以后，短引腳才接通。IAM48模塊的通斷腳被拉到低電平，因此IAM48模塊導(dǎo)通，48V電源母線上的電容器開始以可控的速率充電，母線電壓開始沿斜坡上升，這樣可把浪涌電流限制在安全值以內(nèi)。1AM48模塊導(dǎo)通后，DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊得到使能信號(hào)，但是當(dāng)母線電壓達(dá)到欠壓封鎖門限值(約34V)以前，DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊不能起動(dòng)。母線電壓達(dá)到欠壓封鎖值以后，由于DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊具有軟起動(dòng)特性，所以至少還需經(jīng)過100ms后，轉(zhuǎn)換器模塊才開始吸入電流，并且輸出電壓開始逐漸上升。最后，當(dāng)轉(zhuǎn)換器模塊輸出電壓上升到使串聯(lián)在輸出端的二極管正向偏置時(shí)，該轉(zhuǎn)換器模塊才輸出均衡的負(fù)載電流。
　　
　　電源模塊IAM48從母線上拔出時(shí)的工作順序與插入時(shí)的順序大致相反。短引腳在lAM48模塊關(guān)斷48V電源的其他引腳以前斷開，同時(shí)，轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷。母線電容通過IAM48模塊輸出端的并聯(lián)開關(guān)迅速放電，放電時(shí)間小于50ms。此時(shí)，電容C2繼續(xù)提供保持晶體管Q3導(dǎo)遁所需的電流。從而確保PC腳保持低電平，直到48V母線電壓下降到欠壓封鎖值。這樣，可以保證所有其他接點(diǎn)無規(guī)律斷開過程中，DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊不產(chǎn)生功率變換脈沖。
　　
　　上述熱插拔技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多產(chǎn)品中，并且在插拔過程中，輸入和輸出母線電壓波動(dòng)很小，在插拔過程中，應(yīng)當(dāng)保證所有模塊的引腳電壓不超過最高額定電壓。插入電源模塊IAM時(shí)，必須在其他引腳完全斷開以后，短引腳才斷開。
　　
　　4 用熱插拔控制器電路解決多個(gè)電路板或刀片熱插拔運(yùn)行中的安會(huì)問題
　　
　　雖然用熱插拔功能的電源模塊(如IAM型)可組成48V分布式電源結(jié)構(gòu)，但如何確保熱插拔運(yùn)行中的安會(huì)卻是很重要的控制技術(shù)。于是適用于大功率刀片的-48V或+48V用熱插拔控制器電路技術(shù)被提到議事日程進(jìn)行研討。
　　
　　4.1熱插拔控制器電路基本架構(gòu)
　　
　　當(dāng)?shù)镀宓奖嘲迳蠒r(shí)，刀片上所有連接到背板的電容開始充電，從背板吸取大量的電流。浪涌電流會(huì)導(dǎo)致背板電壓瞬間下降，并在連接器上產(chǎn)生電弧。過大的浪涌電流可使背板電源超載，從而完全關(guān)閉電源，并影響機(jī)架上其余刀片的工作。
　　
　　為了盡可能地減小電路板熱插拔對(duì)機(jī)架上其余刀片的影響，熱插拔期間需要限制刀片的浪涌電流。限制浪涌電流的電路稱為“熱插拔控制器電路”。圖2為在大功率刀片-48V中實(shí)現(xiàn)的熱插拔控制器電路的基本架構(gòu)。