- 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
- 第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊特性
- IAM48模塊的應(yīng)用
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”?？梢灾С诌@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。
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
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;
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。
第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器模塊特性
[page]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。
IAM48模塊的應(yīng)用
Filt Mod模塊特征
VI-IAM(即Filt Mod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。
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。
當(dāng)板卡被插入背板時(shí)，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ms)。此外，由于連接器的觸點(diǎn)顫動(dòng)，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(diǎn)顫動(dòng)停止前處于關(guān)閉狀態(tài)。然后利用R檢測(cè)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(duì)隔離電容充電，直到VMOSFET引腳處的電壓接近-48V。此時(shí)DC/DC轉(zhuǎn)換器被打開，以便為刀片的有效載荷部分供電。
當(dāng)有另外的板卡插入而使背板電壓下降時(shí)，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(dāng)欠壓情況下的脈沖寬度超過預(yù)置的時(shí)間限制時(shí)，將其歸為“電源欠壓”情況，此時(shí)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(cè)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。
