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熱插拔功能的電源??橛τ糜肴炔灝臥誦兄械陌踩刂?/h2>

1前言 
   
  帶電插撥功能同時也稱為熱插拔功能,在電源設計中是非常重要的。在采用故障容限電源架構的應用系統中,都要求帶有熱插拔功能以滿足零?;奔淶囊?。在現代模擬通信和數據通信系統中,通常都必需滿足這個要求。 
   
  實際上,許多大型電信和數據通信系統都采用插入到機架內共同背板上的多個電路板或刀片來構建。由于現代刀片具有優質的功能,需要消耗更多的功率,如優質電信計算架構(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,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。新插入的刀片將利用背板的電源工作。如果檢測到刀片發生故障,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服務。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”??梢災С終飧齬δ艿牡鍍莆翱扇炔灝巍鋇牡鍍?。 
   
  因此本文將介紹以下兩個方面的內容:①采用具有熱插拔功能的電源??樽槌?8V分布式電源結構時應考慮的設計問題;②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會問題。 
   
  2 熱插拔功能的電源???如IAM型)組成48V分布式電源結構的設計規則 
   
  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生明顯波動。任何母線電壓產生明顯的即使是瞬間波動,都可能引起系統工作不正常。在常用的接插件中,各個接頭不是同時接通或同時斷開,而是有規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???如IAM型)組成48V分布式電源結構的設計規則應注意如下幾點: 
   
  ①帶電插拔時,各種參數決不能超過各元件的限值或絕對大額定值; 
   
  ②帶電插入電源???IAM),浪涌電流必須限制在可接受的數值,以免48V輸入母線電壓中斷或跌落,同時減小各接點之間產生的火花; 
   
  ③帶電插入DC-DC轉換器時,該轉換器的負載電流必須限制在額定值以內,保證輸出母線電壓Vout平穩并且不產生影響調整率的突變; 
   
  ④負載斷開或者未接取樣線時,決不允許DC-DC轉換器傳輸能量,即產生功率突變。 
   
  2.1帶電插入的??橛哂械墓δ?nbsp;
   
  為了實現上述設計規則,在每只可帶電插入的???IAM)中應當加入簡單的?;ず投ㄐ虻緶?,這樣可保證電源??榘緯鍪?,DC-DC轉換器在負載切斷或取樣線中斷以前就關斷。同時,電源???IAM)帶電插入時,其所有輸入和輸出端都接通以前,DC-DC轉換器暫時保持關斷狀態。否則帶電插拔時,連接器接點無規律的通電和斷電,有可能損壞DC-DC轉換器???,甚至損壞整個系統。 
   
  2.2電源??櫓杏尤肽承┚骺刂頻緶?nbsp;
   
  眾所周知,對故障容限先要并且是重要的要求是冗余度,也就是說,在電源系統中,至少應有一臺額外的轉換器或者說有一臺冗余轉換器。該系統通常稱為N+M配置,其中,N臺轉換器可滿足負載要求的功率,M臺轉換器??樽鞅贛?。應用過程中,一臺轉換器??楣囟匣蚍⑸收鮮?,盡管每臺??櫚母涸氐緦魍蝗輝黽?,但是其他??槿鑰殺Vは低呈涑齬β什皇莧魏斡跋?。同樣,當一臺附加的轉換器??榻尤氳繚聰低澈?,盡管每臺電源??櫚母涸氐緦魍蝗患跣?,系統的輸出功率也不受任何影響。為此,各臺轉換器應具有均流能力,并且應盡量減小每臺??榛指湊9┑縊璧畝煊κ奔?。所以,為了負載自動均流,電源??櫓杏尤肽承┚骺刂頻緶?。電源??櫚墓ぷ魑露榷鑰煽啃雜瀉艽笥跋?,工作溫度每降低10℃,平均無故障時間可延長一倍。實踐證明,在電源系統中,一臺??槭涑齙緦魑硪惶?槭涑齙緦韉畝妒?,該電源??櫚奈律黽右槐?。 
   
  3 應用第二代DC-DC轉換器與熱插拔功能的電源???IAM48)構建的48V分布式電源方案 
   
  3.1第二代DC-DC轉換器??樘匭?nbsp;
   
  今使用的是Vicor的第二代轉換器???,它具有一些好的特性,大大簡化了在并聯冗余系統中的應用。第二代轉換器??櫓匾奶匭園ǎ菏鼓芎凸囟?、獨特的主從均流控制及自主指揮功能,其中一個轉換器??樵謖魷低持兇艽τ謚骺氐匚?;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轉換器采用零電流諧振開關。即,控制開關頻率和從隔離轉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整率和負載調整率。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。在維持輸出電壓穩定的情況下,為了滿足負載電流的要求,可以控制脈沖重復率(即開關頻率),因此,各??櫚目仄德釋耆降幕?,相同??榭墑迪腫遠?。


  可知,第二代DC-DC轉換器??檣系腜R腳是一個雙向端口,它可連接并聯均流母線。該端口可以接收或傳輸同步脈沖信號,可控制轉換器??櫬渫焦ぷ?,所有其他??榫郵芡鉸齔?,保證所有??橥德使ぷ?。PC(初級控制)腳也是一個雙向端口。該端口用作??樽刺涑?,在轉換器工作過程中,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腳將變為低電平(對負輸入腳-Vin的電壓接近0V)。在故障繼續存在的情況下,PC腳周期地轉變為高電平并盡力使轉換器??櫓匭縷鴝?。只有故障狀態消除后,PC腳才可能保持高電平。PC腳也可作使能/關斷輸入腳,如果PC腳外接低電平,轉換器則關斷。PC腳維持低電平時,輸出電流接近2mA。為了完成使能/關斷功能,可采用開路集電極或漏極晶體管開關(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定精度,通常電源系統的負載都接在輸出終端電源母線上。終端取樣閉合調整控制回路,調整轉換器輸出電壓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。在故障容限并聯冗余系統中,每臺轉換器??櫚氖涑齠薞out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轉換器之和。這樣任何??槌魷職ㄊ涑齠搪返娜魏喂收獻刺?,都可確保母線和電源系統可靠工作。當??櫚氖涑齙繆菇檔褪?,串聯二極管承受反向電壓,因此,可簡單地實現電源母線與轉換器隔離。每臺??櫚娜⊙弒匭虢釉詿艿那懊?,并且好接在熱插拔插頭的前面,可以確保電源??椴灝喂討?,轉換器控制回路不會出現任何瞬間開路。該電阻的佳阻值為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,好選用120Ω電阻。 
   
  總之,具有熱插拔功能的電源??橛哂幸韻綠氐悖喊緯鑾暗繚茨?橛Φ憊囟?;插入時,電源??橛Υτ讜菔憊囟?;電源??橛δ芟拗評擻康緦?。 
   
  3.2IAM48??櫚撓τ?nbsp;
   
  IAM48輸入功率調整??閂in為36V-76V、10A,而Vout為+75V~-75V,其效率為97%。 
   
  IAM48??楹幸恢淮狥ET開關,可以實現48V母線到DC-DC轉換器輸入的通斷控制。通斷控制腳on/off(見圖1中IAM48??櫚囊?內部有上拉電路,并且為了將48V母線與DC-DC轉換器??榻油?,通斷控制器必須拉到低電平。該??檳諏絞涑齠?+Vout與-Vout)之間還有一個并聯開關。當通斷控制腳對48V母線負極為高電平(斷開)時,該并聯開關處于導適狀態。當48V母線關斷時,母線上的保持電容可通過并聯開關迅速放電。除了通斷控制功能外,IAM48??榛咕哂邢拗評送鋇緦韉墓δ?,并且與FiltMod??榛駿MI濾波器??榕浜?,還可完成瞬變過電壓?;?。通信設備中為了滿足EMC{電磁兼容)標準,通常都采用IAM48和FiltMod???見圖1中FiltMod??橛隝AM48??櫚牧?。在通信設備中,都要求電源??榫哂腥炔灝喂δ?,因此,應選用lAM48電源??榛蚱淥上拗評擻康緦韉哪??。    
  3.3FiltMod??樘卣?nbsp;
   
  VI-IAM(即FiltMod???輸入衰減??槭且恢輝兜腄C輸入前端濾波器,它的特點是占用很少的空間,同時提供大的?;ば?,適用于精密的電子系統。VI-IAM可與Vicor的24V、48V或300V輸入??榕涮資褂?,組成高效率、高功率密度的電源系統。系統的輸出電壓由1V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,滿足電訊和工業應用的高要求。 
   
  3.4電源??椴迦氳繚茨趕呤鋇鈉鴝承?nbsp;
   
  除了短引腳外,接插件的所有引腳都按無規律的順序接通,此外,轉換器并不能起動。因為通斷控制短引腳并未接通,該腳通過晶體管Ql使IAM48??槲止囟獻刺?。同時,晶體管Q3還把DC-DC轉換器??櫚腜C腳拉到低電平,因此,轉換器??櫬τ詮囟獻刺?。當所有其他引腳都接好以后,短引腳才接通。IAM48??櫚耐ǘ轄瘧煥降偷縉?,因此IAM48??櫚紀?,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。1AM48??櫚紀ê?,DC-DC轉換器??櫚玫絞鼓芐藕?,但是當母線電壓達到欠壓封鎖門限值(約34V)以前,DC-DC轉換器??椴荒芷鴝?。母線電壓達到欠壓封鎖值以后,由于DC-DC轉換器??榫哂腥砥鴝匭?,所以至少還需經過100ms后,轉換器??椴趴嘉氳緦?,并且輸出電壓開始逐漸上升。然后,當轉換器??槭涑齙繆股仙絞勾謔涑齠說畝苷蚱檬?,該轉換器??椴攀涑鼉獾母涸氐緦?。 
   
  電源??镮AM48從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??楣囟?8V電源的其他引腳以前斷開,同時,轉換器??楣囟?。母線電容通過IAM48??槭涑齠說牟⒘匱桿俜諾?,放電時間小于50ms。此時,電容C2繼續提供保持晶體管Q3導遁所需的電流。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無規律斷開過程中,DC-DC轉換器??椴徊β時浠宦齔?。 
   
  上述熱插拔技術已經成功地應用于許多產品中,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,應當保證所有??櫚囊諾繆共懷叨疃ǖ繆?。插入電源??镮AM時,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電路板或刀片熱插拔運行中的安會問題 
   
  雖然用熱插拔功能的電源???如IAM型)可組成48V分布式電源結構,但如何確保熱插拔運行中的安會卻是很重要的控制技術。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被提到議事日程進行研討。 
   
  4.1熱插拔控制器電路基本架構 
   
  當刀片插到背板上時,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。浪涌電流會導致背板電壓瞬間下降,并在連接器上產生電弧。過大的浪涌電流可使背板電源超載,從而完全關閉電源,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插拔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-48V中實現的熱插拔控制器電路的基本架構。