在電信系統中實(shí)現熱插拔電源的設計方法
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
熱插拔具有很多含義。例如，軟件必須適合增刪模塊，數據總線(xiàn)必須能容忍由連接及斷開(kāi)實(shí)時(shí)總線(xiàn)發(fā)射器與接收器所引起的瞬間誤差等。本文主要討論其中的三種考慮，即：為所有模塊保持良好的電源、同時(shí)如何撤掉故障模塊并將新模塊插入至運行系統中。
熱插拔電源的含義
圖1顯示一種用于高可用性系統的常見(jiàn)冗余電源分配架構。由于每個(gè)器件都是一個(gè)潛在的故障源，因此工程師必須將系統的每一個(gè)部分（底板除外）都設計成熱插拔。系統底板（或超結構）與每一項功能都有關(guān)系，因此更換底板將需要拆下每一個(gè)組件――包括每一塊板、每一個(gè)托架及每一根線(xiàn)。所以系統設計的第一要訣是獲得最高可能的底板可靠性，這意味著(zhù)需采用只含有經(jīng)過(guò)良好設計
這種系統通過(guò)兩條高可靠性電源分配總線(xiàn)給每一個(gè)模塊供電。在大型系統中，這些電源距離機架有較長(cháng)的距離。為減少與壓降有關(guān)的問(wèn)題，必須采用粗電源線(xiàn)及高電源分配電壓。在電信行業(yè)，電源分配標準雖為額定 -48V，但實(shí)際電壓會(huì )由于負載電流、電源分配網(wǎng)絡(luò )中的電阻與電感以及電源狀態(tài)（正常、省電模式或從電池供電等）的不同而有很大變化。負電源可減少泄漏路徑的腐蝕，因為負電壓可抵抗會(huì )腐蝕金屬的負離子。
為有效地將低電流、高電壓電源轉換成低電壓、高電流電源，每一塊電路板或模塊上都帶有DC/DC轉換器。即便這些直流/直流轉換器采用復雜的高頻開(kāi)關(guān)轉換技術(shù)，它們也要求在其輸入上有一個(gè)低阻抗源，以獲得快速瞬態(tài)響應、穩定性及防止電壓跌落。但即使帶有遙測，長(cháng)感性電源分配線(xiàn)也不能完成此任務(wù)，因此每一DC/DC轉換器的輸入上都必須帶有大電解電容。
如果您將帶有大電解電容的簡(jiǎn)單電路板插入到受電底板中，則會(huì )產(chǎn)生較大的浪涌電流。這些浪涌電流會(huì )引起底板電壓下降，進(jìn)而復位或干擾鄰近電路板。浪涌還會(huì )誤用連接器引腳、使電容過(guò)載以及通過(guò)產(chǎn)生EMI來(lái)干擾數據傳輸。足夠大的浪涌甚至還能使整個(gè)系統關(guān)機。為避免產(chǎn)生這種浪涌，系統中的每一塊電路板都帶有可限制浪涌電流的熱插拔電路。
熱插拔電路緩慢地將模塊電源升高以避免底板上產(chǎn)生電源尖峰。此外，如果模塊試圖消耗過(guò)多的功率，則熱插拔電路還能先斷開(kāi)模塊電源，并在故障清除（及延時(shí)）后重新接上，同時(shí)還能將模塊狀態(tài)發(fā)給系統監視器或從其上接收命令。
除緩慢升高電解電容的電源外，熱插拔電路還驅動(dòng)一個(gè)（或多個(gè)）DC/DC轉換器，進(jìn)而驅動(dòng)復雜數字信號處理器、激光器及風(fēng)扇等各類(lèi)負載。但DC/DC轉換器主要負責管理這些不同組件的電源要求，因此熱插拔電路設計任務(wù)的主要挑戰還是給大電解電容供電。
電壓浪涌情況
通信系統從額定-48V上分配電源，但DC/CD轉換器還考慮了較寬的直流電壓范圍（例如-36~-72V），以考慮不同工作模式、電源分配總線(xiàn)上的壓降及溫度變化等因素。
除這種工作范圍外，電源總線(xiàn)上還常常會(huì )有電壓浪涌。一種最壞的浪涌情況是，當保險絲將一個(gè)出現故障、電流過(guò)高的模塊從電源總線(xiàn)上斷開(kāi)時(shí)，負載電流會(huì )突然改變。一項電源浪涌標準考慮了-75V (10 ms)、-100V (10ms) 及 -200V (1ms) 三種最大浪涌電壓。
熱插拔電路直接暴露在這些極端電源浪涌下，并能在輸入超過(guò)最大安全工作電壓時(shí)，通過(guò)將負載從電源總線(xiàn)上斷開(kāi)來(lái)幫助控制浪涌。但最嚴重的浪涌對于大多數堅固的熱插拔電路來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)嚴峻的考驗。因此，很多系統都帶有瞬態(tài)抑制器（金屬氧化物變阻器、瞬態(tài)吸收器 (Transorb) 及其他器件）來(lái)吸收最大及持續時(shí)間最短的浪涌。
有源熱插拔技術(shù)
熱插拔要求使用帶電子驅動(dòng)的功率FET來(lái)控制浪涌電流。有很多IC都能驅動(dòng)功率FET，其中一些通過(guò)將浪涌電流限制在I=CLOADdV/dt上來(lái)控制負載上的電壓斜率。如果負載電容已知并在負載阻抗中占支配地位，則控制電壓斜率可很好地控制浪涌電流。但設計者必須針對所期望負載電容對每一實(shí)現的斜率進(jìn)行優(yōu)化。
這些IC中常常包含帶電流限制的電流檢測（檢流）電路、開(kāi)/關(guān)負載的邏輯輸入以及報告負載狀態(tài)的邏輯輸出。限流電路的作用就如同帶可控響應時(shí)間及精確啟動(dòng)電流的電路斷路器。當負載電流超過(guò)預編最大值時(shí)，IC會(huì )將負載斷開(kāi)。如果在負載接通期間出現過(guò)電流，則由過(guò)電流所產(chǎn)生的浪涌最小，因為電流限制會(huì )隨電源升高而將浪涌箝住。但如果在負載接通擺動(dòng)結束、且功率FET完全打開(kāi)后出現過(guò)電流，則仍有可能出現高浪涌，因為故障出現需要一定的延時(shí)、且對功率FET柵極電容放電也需要一定的時(shí)間。
最通用的熱插拔方法是直接用一個(gè)線(xiàn)性電流放大器(LCA) 來(lái)控制負載電流。LCA結合定制高增益放大器與電流檢測來(lái)驅動(dòng)功率FET。當您在帶有LCA的系統中插入或接通電路板時(shí)，電流命令會(huì )將LCA輸入驅動(dòng)至一個(gè)代表最大負載電流的水平，然后LCA會(huì )將負載電流調整到一個(gè)恰當水平并對負載電容進(jìn)行充電，此時(shí)與負載電容的大小無(wú)關(guān)。這種方法很通用，因為一種熱插拔實(shí)現可與任何一種負載一起使用，并自動(dòng)對負載電容充電時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。盡管控制負載電壓斜率可減少浪涌電流，但負載特征仍決定著(zhù)最終的浪涌情況，因此需要對每一種負載進(jìn)行再設計。
圖2顯示一種給四個(gè)容性負載加電的可控電壓斜率熱插拔控制器。圖3顯示一種給同樣四個(gè)容性負載加電的可控負載電流熱插拔控制器。以可控電壓斜率控制器，大于150mF的負載電容所產(chǎn)生的浪涌電流可超過(guò)啟動(dòng)點(diǎn)，從而迫使電路關(guān)斷。無(wú)論何種負載，可控負載電流設計均可平滑地接通負載并以相同的峰值電流來(lái)對負載電容進(jìn)行充電。
此外，可控負載電流熱插拔電路還可滿(mǎn)足高負載電流的瞬間要求，從而使系統
在某些情況下，系統噪聲問(wèn)題要求將負載電流斜率設置為最大。設計者很容易對可控負載電流熱插拔電路進(jìn)行編程、并通過(guò)用一個(gè)電容來(lái)控制LCA輸入以實(shí)現斜率控制。
基于以上這些原因，帶LCA的熱插拔電路通常為首選。不管負載電容如何它都能對浪涌電流進(jìn)行控制，從而實(shí)現總的浪涌控制，并當浪涌時(shí)間超過(guò)預編最大值時(shí)將負載斷開(kāi)，同時(shí)還很容易控制負載電流的斜率。
可控電流熱插拔
但可控電流也有缺點(diǎn)?？煽仉妷盒甭实膬?yōu)點(diǎn)是它天然就穩定?？煽仉妷盒甭蕦?shí)現不要求進(jìn)行閉環(huán)控制，而只需依靠流入電容中的開(kāi)環(huán)電流來(lái)設置斜率（圖4）。
從比較中可看出，可控電流熱插拔電路將功率FET及檢流電阻置于一個(gè)反饋環(huán)路中（圖5），該環(huán)路在所有工作模式中都必須進(jìn)行補償以避免不穩定。如果環(huán)路變得不穩定或臨界穩定，則輸出電流可能會(huì )過(guò)沖并過(guò)早地啟動(dòng)限流電路。但幸運的是，現代可控電流熱插拔IC都包含有仔細考慮了各種條件下環(huán)路穩定性的補償LCA，因此不用擔心它不穩定。
可控電流熱插拔要求有一個(gè)檢流電阻或另一個(gè)檢流元件。大多數系統都采用了某種類(lèi)型的電流檢測，因此此項要求并不是一個(gè)什么缺點(diǎn)，但它卻給該技術(shù)增加了另一項約束（表1）。
如何實(shí)現熱插拔
控制負載電壓斜率的熱插拔IC以一個(gè)恒定電流來(lái)驅動(dòng)功率FET，并依靠柵－漏電容來(lái)控制負載電壓斜率。以此種方式，負載電壓斜率被設置在dV/dt=I/CGD上。在高電壓系統中，此電容必須為一個(gè)高電壓電容。任何功率FET柵－漏電容都會(huì )增加至外部電容值中，因此，為保持良好的控制，所增加的電容應大大高于功率FET的內部電容。
一旦負載電壓達到電源電壓，漏極會(huì )停止上升，但柵極電流會(huì )繼續將外部電容充電至一個(gè)穩定狀態(tài)VGS（典型為12V）。當發(fā)生故障時(shí)，IC必須迅速將功率FET的內部電容及外部柵極電容從12V放電至0V，以避免損壞或干擾鄰近模塊。為使故障響應時(shí)間最短，外部電容應盡可能地小，但這種情況又會(huì )導致不完美的折衷，因為它會(huì )與外部電容應足夠大以保持容差的要求相抵觸。
采用可控電壓斜率的熱插拔實(shí)現可檢測瞬間負載過(guò)電流、設置一個(gè)故障門(mén)限并斷開(kāi)負載。雖然這種實(shí)現很安全，但系統只要瞬間產(chǎn)生過(guò)電流都會(huì )關(guān)機，當您將第二個(gè)電源插入至系統中、從電池上工作一段時(shí)間后再重新接通電源、或保險絲接通瞬間輸入電壓浪涌時(shí)都會(huì )出現這種情況。
電源瞬態(tài)及接通事件可將漏極通過(guò)外部電容耦合至功率FET的柵極，從而造成臨時(shí)電流浪涌。為避免出現這種情況，實(shí)際會(huì )將一個(gè)電阻與外部柵－漏電容以及從柵極到源極的第二外部電容串聯(lián)（圖4）。但您還必須在出現故障時(shí)將此第二電容放電，以避免延長(cháng)故障響應時(shí)間。
從比較中可看出，可控電流熱插拔系統用一個(gè)運放（尤其是LCA）來(lái)使負載電流在任何時(shí)候都處于控制下。LCA的輸入為一個(gè)與負載電流成正比的電壓命令。LCA將外部FET的柵極電壓調整到將負載電流保持到輸入命令電壓除以檢流電阻的電流上所需的水平。
當系統關(guān)機時(shí)電壓命令為0。當重新打開(kāi)系統時(shí)，輸入電壓命令會(huì )逐漸從0變至所需最大電流。輸出電流則隨LCA驅動(dòng)外部FET而迅速上升至全調整電流（通常為100秒）。經(jīng)過(guò)此起始開(kāi)機上升后，LCA將負載電流保持在命令水平上，直到負載電容充電至電源電壓為止，然后LCA飽和，過(guò)驅動(dòng)功率FET并在柵－源上加上大約12V的電壓。
更小的負載電流斜率有利于減小系統EMI，因此，如果需要，您可以通過(guò)給LCA輸入增加一個(gè)電容來(lái)減小開(kāi)機負載電流斜率（圖5）。但使用可控負載電流IC則不需要一個(gè)外部高電壓柵－漏電容或一個(gè)外部柵－源電容。
在可控電流熱插拔系統中，LCA一般用于補償低環(huán)路帶寬以避免出現不穩定。這種設計特點(diǎn)允許自由選擇功率FET而無(wú)需考慮環(huán)路補償。但它也意味著(zhù)電流環(huán)路本身太慢以至于不能對由輸入電壓瞬間改變所引起的電流浪涌進(jìn)行迅速響應。當您將第二個(gè)電源插入至系統中、或以電池工作后恢復至主電源或保險絲接通后都可能出現這種浪涌。為處理這種瞬態(tài)，可控電流熱插拔IC帶有一個(gè)用于檢測突變過(guò)電流及LCA前饋通道以迅速將環(huán)路帶回調整的比較器。
與采用可控電壓斜率及兩個(gè)外部柵極電容的系統相比，采用可控電流的系統擁有低得多的總柵極電容。LCA上的唯一負載是功率FET本身的內部電容，這意味著(zhù)可控電流實(shí)現內在地擁有更快的故障響應速度。
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