| 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�，F(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。帶電插拔功能同時(shí)也稱為熱插拔功能,在電源設(shè)計(jì)中是非常重要的。本文介紹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),應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)問題。
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,熱插拔功能能防止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。
滿足上述要求的設(shè)計(jì)規(guī)則為：
•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。
•帶電插入電源模塊,浪涌電流必須限制在可接受的數(shù)值,以免48V輸入總線電壓中斷或跌落。減小各接點(diǎn)之間產(chǎn)生的火花。
•帶電插入變換器時(shí),該變換器的負(fù)載電流必須限制在額定值以內(nèi),保證輸出總線電壓平穩(wěn)并且不產(chǎn)生影響調(diào)整率的突變。
•負(fù)載斷開或者未接取總線時(shí),決不允許變換器傳輸能量,即產(chǎn)生功率突變。
為了滿足上述這些要求,在每只可帶電插入的模塊中應(yīng)當(dāng)加入簡單的保護(hù)和定序電路,這樣可保證電源模塊拔出時(shí),轉(zhuǎn)換器在負(fù)載切斷或取樣線中斷以前關(guān)斷。同時(shí),電源模塊帶電插入時(shí),所有輸入和輸出端都接通以前,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,有可能損壞轉(zhuǎn)換器模塊,甚至損壞整個(gè)系統(tǒng)。
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。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)間可廷長一倍。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。
Vicor第二代轉(zhuǎn)換器模塊具有一些極好的特性,大大簡化了在并關(guān)冗余系統(tǒng)中的應(yīng)用。最重要的特性包括使能和關(guān)斷、獨(dú)特的主、從均流控制、自主指揮功能。假定其中一個(gè)模塊在整個(gè)系統(tǒng)中總處于主控地位。Vicor第二代轉(zhuǎn)換器模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。Vicor轉(zhuǎn)換器采用零電流諧振開關(guān)。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)本質(zhì)均流。
Vicor第二代轉(zhuǎn)換器模塊上的PR引腳是一個(gè)雙向端口,它可連接并聯(lián)均流總線。該端口可以接收或傳輸同步脈沖信號(hào)�？煽刂颇K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)引腳也是一個(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,該引腳直流電壓為6Vdc,在故障狀況下,比如過熱或輸出過壓時(shí),PC引腳將變?yōu)榈碗娖剑▽?duì)負(fù)輸入引腳-Vin的電壓接近0V）。在故障繼續(xù)存在的情況下,PC引腳周期地轉(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引腳?才可能保持高電平。
PC引腳也可作使能/關(guān)斷輸入引腳,如果PC引腳外接低電平,轉(zhuǎn)換器則關(guān)斷。PC引腳維持低電平時(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)。
取樣引腳用于提高輸出終端電源總線電壓的穩(wěn)定精度,通常電源系統(tǒng)的負(fù)載都接在輸出終端電源總線上。終端取樣閉合調(diào)整控制回路,調(diào)整轉(zhuǎn)換器輸出電壓,以便補(bǔ)償輸出總線上產(chǎn)生的電壓降。取樣引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)模塊的輸出端到電源總線必須串入一只二極管,在輸出總線上二極管的共陰極,總輸出電流為各轉(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�？偩�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,可簡單地實(shí)現(xiàn)電源總線與轉(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。轉(zhuǎn)換器取樣引腳和電源引腳之間接入一只電阻,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。
這些要求可采用多種方法來實(shí)現(xiàn)。顯然,最簡單的方法是在帶電插拔過程中,用一只機(jī)械開關(guān)將轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷。插入電源模塊以前,該開關(guān)應(yīng)處于關(guān)斷位置,當(dāng)接插件的各接點(diǎn)牢固地接通后,該開關(guān)才轉(zhuǎn)換到接通位置。與此相反,拔出轉(zhuǎn)換器模塊以前,該機(jī)械開關(guān)應(yīng)轉(zhuǎn)換到關(guān)斷位置。通常完成使能、關(guān)斷功能的PC引腳,可由該開關(guān)控制。如果熱插拔組件內(nèi)包括保證模塊可靠插入的鎖定接頭,該鎖定接頭可以機(jī)械地連接微型開關(guān),以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器模塊開機(jī)和關(guān)機(jī)。
電源模塊插拔過程中,還可采用另一種自動(dòng)關(guān)斷轉(zhuǎn)換器的方法。采用這種方法,不需要人工動(dòng)作,而采用機(jī)械開關(guān)時(shí),必須手動(dòng)控制。采用自動(dòng)控制法,可以消除人工誤動(dòng)作的可能性,也就是說,可以防止機(jī)械開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)插入或拔出轉(zhuǎn)換器模塊。圖1所示電路可完成自動(dòng)關(guān)斷模塊的功能,但是要求采用接點(diǎn)交錯(cuò)排列的接插件。應(yīng)特別指出利用該控制時(shí),電源模塊應(yīng)采用獨(dú)特的通斷控制引腳,以便保證插入模塊最后接通電源模塊,拔出時(shí)首先斷開電源模塊。
 圖1 帶電插拔自動(dòng)保護(hù)
IAM48模塊含有一只串聯(lián)FET開關(guān),可以實(shí)現(xiàn)48V總線到轉(zhuǎn)換器輸入的通斷控制,通斷控制引腳內(nèi)部有上拉電路,并且為了將48V母線與轉(zhuǎn)換器模塊接通,通斷控制器必須拉到低電平。該模塊內(nèi)兩輸出端之間還有一個(gè)并聯(lián)開關(guān)。當(dāng)通斷控制引腳對(duì)總線負(fù)極為高電平（斷開）時(shí),該并聯(lián)開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)48V總線關(guān)斷時(shí),總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,IAM模塊還具有限制浪涌電流的功能,并且與EMI濾波器模塊或Filt Mod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IAM和Fit Mod模塊。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IAM模塊或其他可限制浪涌電流的模塊。
電源模塊插入電源總線時(shí)的起動(dòng)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（參看圖2所示波形）,此外,轉(zhuǎn)換器并不能起動(dòng)。因?yàn)橥〝嗫刂贫桃_并未接通,該局引腳通過晶體管Q1使IAM模塊維持關(guān)斷狀態(tài)。同時(shí),晶體管Q3還把轉(zhuǎn)換器模塊的PC引腳拉到低電平,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。IAM模塊的通斷引腳被拉到低電平,因此IAM模塊導(dǎo)通,48V電源總線上的電容器開始以可控的速率充電,總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)。IAM模塊導(dǎo)通后,轉(zhuǎn)換器模塊得到使能信號(hào),但是當(dāng)總線電壓達(dá)到欠壓封鎖門限值（約34V）以前,轉(zhuǎn)換器模塊不能起動(dòng)�？偩�電壓達(dá)到欠壓封鎖值以后,由于轉(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。 
圖2 熱插拔過程波形圖
電源模塊總線上拔出時(shí)的工作順序與插入時(shí)的順序相反。短引腳在IAM模塊關(guān)斷48V電源的其他引腳以前斷開,同時(shí),轉(zhuǎn)換器模塊總線電容通過IAM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)通所需的電流。從而確保PC引腳保持低電平,直到48V總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,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,輸入和輸出總線電壓波動(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。插入電源模塊時(shí),必須在其他引腳無規(guī)律接通以后,短引腳才能接通。拔出電源模塊時(shí),必須在其他引腳完全斷開以后,短引腳才斷開。
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