- 采用48V分布式電源結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮的設(shè)計問題
- 用控制器電路解決熱插拔運行中的安全問題
- 帶電插拔時，各種參數(shù)決不能超過各元件的極限值或絕對最大額定值
- 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
- 帶電插入DC-DC轉(zhuǎn)換器時，轉(zhuǎn)換器的負載電流必須限制在額定值以內(nèi)
- 負載斷開或者未接取樣線時不允許DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸能量
帶電插撥功能同時也稱為熱插拔功能，在電源設(shè)計中是非常重要的。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時間的要求。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要求。
實際上，許多大型電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都采用插入到機架內(nèi)共同背板上的多個電路板或刀片來構(gòu)建。由于現(xiàn)代刀片具有更高級的功能，它需要消耗更多的功率，如高級電信計算架構(gòu)（ATCA）刀片消耗的功率約為≥200W。而背板為刀片以及它們之間的通信提供電源(例如+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“運行著”的背板。刀片必須插入機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。如果檢測到刀片發(fā)生故障，必須從插槽中把這個刀片拔掉，再把新的刀片插入同一個插槽以恢復(fù)服務(wù)。把刀片插入運行中的背板或者從插槽中拔掉的過程稱為“熱插拔”。可以支持這個功能的刀片稱為“可熱插拔”的刀片。
因此本文將介紹以下二個方面的內(nèi)容：其一、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)時應(yīng)考慮的設(shè)計問題；其二、用熱插拔控制器電路解決多個電路板或刀片刀片熱插拔運行中的安會問題。
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)計規(guī)則
熱插拔功能對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輸入和輸出電源線電壓產(chǎn)生明顯波動。任何母線電壓產(chǎn)生明顯的即使是瞬間波動，都可能引起系統(tǒng)工作不正常。在常用的接插件中，各個接頭不是同時接通或同時斷開，而是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)計規(guī)則應(yīng)注意如下幾點：
*帶電插拔時，各種參數(shù)決不能超過各元件的極限值或絕對最大額定值。
*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。同時減小各接點之間產(chǎn)生的火花。
*帶電插入DC-DC轉(zhuǎn)換器時，該轉(zhuǎn)換器的負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。
*負載斷開或者未接取樣線時，決不允許DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸能量，即產(chǎn)生功率突變。
1帶電插入的模塊應(yīng)具有的功能.
為了實現(xiàn)上述設(shè)計規(guī)則，在每只可帶電插入的模塊(IAM)中應(yīng)當加入簡單的保護和定序電路，這樣可保證電源模塊拔出時，DC-DC轉(zhuǎn)換器在負載切斷或取樣線中斷以前就關(guān)斷。同時，電源模塊(IAM)帶電插入時，其所有輸入和輸出端都接通以前，DC-DC轉(zhuǎn)換器暫時保持關(guān)斷狀態(tài)。否則帶電插拔時，連接器接點無規(guī)律的通電和斷電，有可能損壞DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊，甚至損壞整個系統(tǒng)。
2電源模塊中應(yīng)加入某些均流控制電路
這為什么吶？眾所周知,對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)有一臺額外的轉(zhuǎn)換器或者說有一臺冗余轉(zhuǎn)換器。該系統(tǒng)通常稱為N+M配置，其中，N臺轉(zhuǎn)換器可滿足負載要求的功率，M臺轉(zhuǎn)換器模塊作備用。應(yīng)用過程中，一臺轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷或發(fā)生故障時，盡管每臺模塊的負載電流突然增加，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，當一臺附加的轉(zhuǎn)換器模塊接入電源系統(tǒng)后，盡管每臺電源模塊的負載電流突然減小，系統(tǒng)的輸出功率也不受任何影響，為此，各臺轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有均流能力，并且應(yīng)盡量減小每臺模塊恢復(fù)正常供電所需的動態(tài)響應(yīng)時間。所以為了負載自動均流，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可靠性有很大影響，工作溫度每降低10℃，平均無故障時間可延長一倍。實踐證明，在電源系統(tǒng)中，一臺模塊輸出電流為另一臺模塊輸出電流的二倍時，該電源模塊的溫升將增加一倍。[page]
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
圖1為48V分布式方案示意圖
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，大大簡化了在并聯(lián)冗余系統(tǒng)中的應(yīng)用。該第二代轉(zhuǎn)換器模塊重要的特性：包括使能和關(guān)斷、獨特的主從均流控制及自主指揮功能，其中一個轉(zhuǎn)換器模塊在整個系統(tǒng)中總處于主控地位；第二代轉(zhuǎn)換器模塊還具有一些普通的特性，比如欠壓封鎖，軟起動、輸出限流和遠距離取樣等。尤其是Vicor轉(zhuǎn)換器采用零電流詣?wù)耖_關(guān)。
即，控制開關(guān)頻率和從隔離轉(zhuǎn)換器初級傳送到次級的能量脈沖速率，即可達到要求的電源調(diào)整率和負載調(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，相同模塊可實現(xiàn)自動均流。
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?？煽刂妻D(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(初級控制)腳也是一個雙向端口。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，PC腳將變?yōu)榈碗娖?對負輸入腳-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。
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，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，都可確保母線和電源系統(tǒng)可靠工作。
當模塊的輸出電壓降低時，串聯(lián)二極管承受反向電壓，因此，可簡單地實現(xiàn)電源母線與轉(zhuǎn)換器隔離。每臺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。分，可以確保電源模塊插拔過程中，轉(zhuǎn)換器控制回路不會出現(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，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：拔出前電源模塊應(yīng)當關(guān)斷；插入時，電源模塊應(yīng)處于暫時關(guān)斷；電源模塊應(yīng)能限制浪涌電流。
2.IAM48模塊的應(yīng)用
IAM48輸入功率調(diào)整模塊Vin為36V-76V10A而Vout為+75Vto-75V其效率為97%。
IAM48模塊含有一只串聯(lián)FET開關(guān)，可以實現(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)之間還有一個并聯(lián)開關(guān)。當通斷控制腳對48母線負極為高電平(斷開)時，該并聯(lián)開關(guān)處于導(dǎo)適狀態(tài)。
當48V母線關(guān)斷時，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．通信設(shè)備中為了滿足EMC{電磁兼容)標準，通常都采用IAM48和FitMod模塊(見圖1中FitMod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。
3FiltMod模塊特征
VI-IAM(即FiltMod模塊)輸入衰減模塊是一只元件級的DC輸入前端濾波器，它的特點是占用很少的空間，同時提供最大的保護效能，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1至95V，功率達400W（可擴展至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。
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4電源模塊插入電源母線時的起動順序如下
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。因為通斷控制短引腳并未接通，該腳通過晶體管Ql使IAM48模塊維持關(guān)斷狀態(tài)。同時，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，但是當母線電壓達到欠壓封鎖門限值(約34V)以前，DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊不能起動。
母線電壓達到欠壓封鎖值以后，由于DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊具有軟起動特性，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，該轉(zhuǎn)換器模塊才輸出均衡的負載電流。
電源模塊IAM48母線上拔出時的工作順序與插入時的順序大致相反。短引腳在lAM48模塊關(guān)斷48V電源的其他引腳以前斷開，同時，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，放電時間小于50ms。
此時，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鎮(zhèn)值。這樣，可以保證所有其他接點無規(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。
上述熱扦拔技術(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很小，在插拔過程中，應(yīng)當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，必須在其他引腳必須完全斷開以后，短引腳才斷開。
用熱插拔控制器電路解決多個電路板或刀片熱插拔運行中的安全問題
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行中的安全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)被提到議事日程作研討。
1熱插拔控制器電路基本架構(gòu)
當?shù)镀宓奖嘲迳蠒r，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。浪涌電流會導(dǎo)致背板電壓瞬間下降，并在連接器上產(chǎn)生電弧。過多的浪涌電流可使背板電源超載，從而完全關(guān)閉電源，并影響機架上其余刀片的工作。
為了盡可能地減小電路板熱拔插對機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為在大功率刀片的-48V中實現(xiàn)的熱插拔控制器電路的主要基本架構(gòu)
從圖2的左上方開始,GND端通過肖特基二極管將電源送至DC／DC轉(zhuǎn)換器。DC／DC模塊是一個產(chǎn)生有效載荷電源電壓(12V、5.6V等)的獨立電源。DC-DC轉(zhuǎn)換器的負端通過MOSFET開關(guān)和電流感測電阻連接到-48V電源。DC／DC轉(zhuǎn)換器兩端的隔離(hold-off)電容保留了足夠的電荷以確保電路板在背板電壓降低期間保持運作。
熱插拔控制器利用電流檢測電阻R檢測和VMOSFET信號來監(jiān)控MOSFET電流和電壓，以便控制在發(fā)生浪涌時MOSFET消耗的功率。
2熱插拔控制器電路的安全運行
當板卡被插入背板時，可以看到由MOSFET寄生電容引起的短暫的浪涌電流脈沖(通常為幾毫秒)。此外，由于連接器的觸點顫動，電源以脈沖的方式加到刀片上。熱插拔控制器可使MOSFET和DC／DC轉(zhuǎn)換器在觸點顫動停止前處于關(guān)閉狀態(tài)。然后利用R檢測上的電壓作為反饋電壓慢慢地打開MOSFET，這樣做是為了將浪涌電流值限制在刀片電源電流的最大給定值以下。該電流將對個隔離電容充電，直到VMOSFET引腳處的電壓接近-48V。此時DC／DC轉(zhuǎn)換器被打開，以便為刀片的有效載荷部分供電。
當有另外的板卡插入而使背板電壓下降時，隔離電容的作用是保證電路板處于工作狀態(tài)。隔離電容的大小與刀片消耗的總功率，以及防止出現(xiàn)欠壓的需求直接成正比。當欠壓情況下的脈沖寬度超過預(yù)置的時間限制時，將其歸為“電源欠壓”情況，此時欠壓鎖定過程開始。
欠壓鎖定過程關(guān)閉MOSFET，直到背板電壓恢復(fù)到正常值。在欠壓的情況下，與GND串聯(lián)的肖特基二極管可阻止來自隔離電容的反向電流流入背板。熱插拔控制器還能檢測到電源故障，如欠壓和過流。在這兩種情況下，熱插拔控制器將在故障排除后重新為刀片供電。
