在电源模块设计中实现热插拔功能

在采用故障容限电源架构的应用系统中要求具有热插拔功能，满足零停机时间要求。在现代数据通信系统中，通常必须满足这个要求，这也是电源设计中非常重要的一项功能。 热插拔功能对于确保热插拔元件的安全特别重要。此外，在热插拔过程中必须避免使输入和输出电源线电压产生明显波动。任何母线电压产生明显波动，甚至即使是瞬间波动，都可能引起系统工作不正常。在常用的接插件中，各个接头不是同时接通或断开，而是无规律地依次接通或依次断开，因此必须保证电源按顺序接通或断开。 为满足上述要求，在设计热插拔电源时必须注意以下几点： 1. 热插拔时，各种参数不能超过各元件的极限值或最大额定值。 2. 带电插入电源模块时，浪涌电流必须限制在可接受的范围，避免48V输入母线电压中断 或跌落，同时减小各接触点之间产生的火花。 3. 带电插入变换器时，该变换器的负载电流必须限制在额定值以内，保证输出母线电压稳 定并且不产生影响调整率的突变。 4. 负载断开或者未接取样线时，不允许变换器传输能量，即不能产生功率脉冲。 为了满足这些要求，在每只可带电插入的模块中应当加入简单的保护和定序电路，这样可保证电源模块拔出时，变换器在负载切断或取样线中断以前关断。同时，当电源模块带电插入时，在所有输入和输出端都接通以前，变换器暂时维持关断状态。否则在热插拔时，连接器接触点无规律的通断可能损坏变换器模块，甚至损坏整个系统。 故障容限最重要的要求是冗余度，即在电源系统中至少应有一个额外的变换器或者有一个冗余变换器。该系统通常称为N+M配置，其中N个变换器可满足负载要求的功率，M个变换器模块作备用。在应用过程中，一个变换器模块关断或发生故障时，尽管每个模块的负载电流突然增加，但是其它模块仍可保证系统输出功率不受任何影响。同样，当一个附加的变换器模块接入电源系统后，尽管每个电源模块的负载电流突然减小，系统的输出功率也不应受任何影响。因此，各个变换器应具有均流的能力，并且应尽量减小每个模块恢复正常供电所需的动态响应时间。为了实现负载自动均流，电源模块中应加入某些均流控制电路。 Vicor第二代变换器模块具有一些优良特性，能简化并联冗余系统的应用。其中最重要的特性包括使能、关断、独特的主从均流控制功能，在整个系统中有一个模块总处于主控地位。Vicor第二代变换器模块还具有一些普通特性，如欠压封锁、软启动、输出限流和远距离取样等。Vicor变换器采用零电流谐振开关，通过控制开关频率和从隔离变压器初级传送到次级的能量脉冲速率，即可达到要求的电源调整率和负载调整率。在任意给定输入电压下，脉冲宽度是恒定的，因此，每个脉冲的能量也是恒定的。在维持输出电压稳定的情况下，为了满足负载电流的要求，可以控制脉冲重复率(即开关频率)。因此，如果各模块的开关频率完全同步，相同模块可实现本质均流。 Vicor第二代变换器模块上的PR脚是一个双向端口，它可以连接并联均流母线。该端口能接收或传输同步脉冲信号，由控制模块传输同步脉冲，所有其它模块均接收该同步脉冲，这样能保证所有模块同频率工作。 初级控制(PC)管脚也是一个双向端口，该端口用作模块状态输出。在变换器工作过程中，该管脚直流电压为6V，在故障状态下，如过热或输出过压时，PC管脚将变为低电平(对负输入脚-Vin的电压接近0V)。在故障继续存在的情况下，PC脚周期性地变换为高电平并尽量使变换器模块重新启动。只有故障状态消除后，PC脚才可能维持高电平。 PC脚也可用作使能/关断控制管脚，如果PC脚外接低电平，变换器则关断。PC脚维持低电平时，输出电流接近2mA，为了完成使能/关断功能，可采用开路集电极或漏极晶体管开关。 取样脚用于提高输出终端电源母线电压的稳定度，通常电源系统的负载接在输出终端电源母线上。终端取样线闭合调整控制回路，调整变换器输出电压以补偿输出母线上产生的电压降。取样脚终端接法是维持输出电压控制所必需的。在故障容限并联冗余系统中，每个模块的输出端到电源母线之间必须串接一只二极管，在输出母线上二极管共阴极的总输出电流为各变换器之和。这样任何模块出现包括输出短路的任何故障，都可确保母线和电源系统可靠工作。当模块的输出电压降低时，串联二极管承受反向电压，因此，可简单地实现电源母线与变换器隔离。每个模块的取样线必须接在串联二极管的前面，并且最好接在热插拔插头的前面。变换器取样脚和电源脚之间接入一只电阻，可以确保电源模块插拔过程中，变换器控制回路不会出现任何瞬间开路。该电阻的最佳阻值为24Ω/V，即该电阻的阻值决定于输出电压。如输出电压为5V时，最好选用120Ω电阻。 总之，具有热插拔功能的电源模块应具有以下特点： 1. 拔出前电源模块应当关断；2. 插入时，电源模块应处于短暂关断；3. 电源模块应该能限制浪涌电流。 可以用多种方法来实现这些要求。显然，最简单的方法是在热插拔过程中用一只机械开关将变换器模块关断。插入电源模块以前，该开关应处于关断位置，当接插件的各接触点可靠接通后，该开关才转换到接通位置。与此相反，拔出变换器模块以前，该机械开关应转换到关断位置。通常完成使能、关断功能的PC脚可由该开关控制。如果热插拔组件内包括保证模块可靠插入的锁定接头，该锁定接头可以与微型开关机械连接，实现变换器模块开机和关机。 在电源模块插拔过程中，还可采用另一种自动关断变换器的方法。采用该方法不需要人工操作，而采用机械开关时必须人工控制。采用自动控制法，可以消除人工误动作的可能性，即可以防止机械开关处于导通状态时插入或拔出变换器模块。图1所示电路可完成自动关断模块的功能，但是要求采用接触点交错排列的接插件。应特别指出利用该控制方法时，电源模块应采用独特的通断控制短管脚，以保证在插入模块时最后接通电源模块，拔出时首先断开电源模块。 在图1中，IAM48模块含有一只串联FET开关，可以实现48V母线到变换器输入的通断控制，通断控制脚内部具有上拉电路。为了将48V母线与变换器模块接通，通断控制脚必须拉到低电平。该模块内两输出端之间还有一个并联开关。当通断控制脚对母线负极为高电平(断开)时，该并联开关处于导通状态。当48V母线关断时，母线上的保持电容可通过并联开关迅速放电。除了通断控制功能外，IAM模块还具有限制浪涌电流的功能，并且与EMI滤波器模块或Filt Mod模块配合，还可实现瞬态过电压保护。在通信设备中，为了满足电磁兼容标准要求，通常采用IAM和Filt Mod模块；为了实现热插拔功能，选用IAM模块或其它可限制浪涌电流的模块。 电源模块插入电源母线时的启动顺序如下：首先，除了短管脚外，接插件的所有管脚都无规律地顺序接通(参看图2所示时序图)。此时，因为通断控制短管脚并未接通，该脚通过晶体管Q1使IAM模块维持关断状态，变换器不能启动。同时，晶体管Q3把变换器模块的PC脚拉到低电平，因此变换器模块处于关断状态。当所有其它管脚都接好以后，短管脚才接通。IAM模块的通断控制管脚被拉到低电平，因此IAM模块导通，48V电源母线上的电容器开始以可控的速率充电，母线电压开始沿斜坡上升，这样可把浪涌电流限制在安全值以内。 IAM模块导通后，变换器模块得到使能信号，但是当母线电压达到欠压封锁门限值(约34V)以前，变换器模块不能启动。母线电压达到欠压封锁值以后，由于变换器模块具有软启动特性，所以至少还需经过100ms后，变换器模块才开始吸入电流并且输出电压开始逐渐上升。最后，当变换器模块输出电压上升到使串联在输出端的二极管正向偏置时，该变换器模块才输出均衡的负载电流。 电源模块从母线上拔出时的工作顺序与插入时的顺序大致相反。在IAM模块关断48V电源的其它管脚以前将短管脚断开，变换器模块同时关断。母线电容通过IAM模块输出端的并联开关迅速放电，放电时间小于50ms。此时，电容C2继续提供维持晶体管Q3导通所需的电流。从而确保PC脚维持低电平，直到48V母线电压下降到欠压封锁值。这样可以保证所有其它接触点无规律断开过程中，变换器模块不产生功率变换脉冲。 上述热插拔技术已经成功地应用于许多产品中，在插拔过程中，输入和输出母线电压波动很小。在插拔过程中，应当保证所有模块的管脚电压不超过最高额定电压。插入电源模块时，必须在其它管脚无规律接通以后，短管脚才能接通。拔出电源模块时，必须在其它管脚完全断开以后，短管脚才断开。 信息来源于：广东电子商贸网