熱插拔功能消除停機(jī)時間(05-100)

　　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)時間的要求。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。帶電插拔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。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)計問題。

　　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,熱插拔功能能防止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)計規(guī)則為：

　　•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,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,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,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,轉(zhuǎn)換器在負(fù)載切斷或取樣線中斷以前關(guān)斷。同時,電源模塊帶電插入時,所有輸入和輸出端都接通以前,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(diǎn)無規(guī)律的通電和斷電,有可能損壞轉(zhuǎn)換器模塊,甚至損壞整個系統(tǒng)。

　　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(fù)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(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(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。為了負(fù)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℃,平均無故障時間可廷長一倍。實(shí)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。

　　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。假定其中一個模塊在整個系統(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、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)?？刂崎_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(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?？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(初級控制)引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,該引腳直流電壓為6Vdc,在故障狀況下,比如過熱或輸出過壓時,PC引腳將變?yōu)榈碗娖?對負(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。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,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,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,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。