熱插拔功能消除停機時(shí)間(05-100)

　　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(mǎn)足零停機時(shí)間的要求?，F代模擬通信和數據通信系統中,通常都必需滿(mǎn)足這個(gè)要求。帶電插拔功能同時(shí)也稱(chēng)為熱插拔功能,在電源設計中是非常重要的。本文介紹采用具有熱插拔功能的電源模塊組成48V分布式電源結構,應考慮的設計問(wèn)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(guò)程中,熱插拔功能能防止輸入和輸出電源線(xiàn)電壓產(chǎn)生明顯波動(dòng)。任何母線(xiàn)電壓產(chǎn)生明顯的即使是瞬間波動(dòng),都可能引起系統工作不正常。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(kāi),而是有規律地逐次接通或逐次斷開(kāi)。因此必須分步驟,保證電源按順序接通或斷開(kāi)。

　　滿(mǎn)足上述要求的設計規則為：

　　•帶電插拔時(shí),各種參數決不能超過(guò)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值,以免48V輸入總線(xiàn)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),該變換器的負載電流必須限制在額定值以?xún)?保證輸出總線(xiàn)電壓平穩并且不產(chǎn)生影響調整率的突變。

　　•負載斷開(kāi)或者未接取總線(xiàn)時(shí),決不允許變換器傳輸能量,即產(chǎn)生功率突變。

　　為了滿(mǎn)足上述這些要求,在每只可帶電插入的模塊中應當加入簡(jiǎn)單的保護和定序電路,這樣可保證電源模塊拔出時(shí),轉換器在負載切斷或取樣線(xiàn)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(wú)規律的通電和斷電,有可能損壞轉換器模塊,甚至損壞整個(gè)系統。

　　對故障容限首要并且是最重要的要求是冗余度,也就是說(shuō),在電源系統中,至少應有一臺額外的轉換器或者說(shuō)有一臺冗余轉換器。該系統通常稱(chēng)為N+M 配置,其中,N臺轉換器可滿(mǎn)足負載要求的功率,M臺轉換器模塊作備用。應用過(guò)程中,一臺轉換器模塊關(guān)斷或發(fā)生故障時(shí),盡管每臺模塊的負載電流突然增加,但是其他模塊仍可保證系統輸出功率不受任何影響,同樣,當一臺附加的轉換器模塊接入電源系統后,盡管每臺電源模塊的負載電流突然減小,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模塊恢復正常供電所需的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間。為了負載自動(dòng)均流,電源模塊中應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(wú)故障時(shí)間可廷長(cháng)一倍。實(shí)踐證明,在電源系統中,一臺模塊輸出電流為另一臺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第二代轉換器模塊具有一些極好的特性,大大簡(jiǎn)化了在并關(guān)冗余系統中的應用。最重要的特性包括使能和關(guān)斷、獨特的主、從均流控制、自主指揮功能。假定其中一個(gè)模塊在整個(gè)系統中總處于主控地位。Vicor第二代轉換器模還具有一些普通的特性,比如欠壓封鎖、軟起動(dòng)、輸出限流和遠距離取樣等。Vicor轉換器采用零電流諧振開(kāi)關(guān)?？刂崎_(kāi)關(guān)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(gè)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(mǎn)足負載電流的要求,可以控制脈沖重復率(即開(kāi)關(guān)頻率),因此各模塊的開(kāi)關(guān)頻率完全同步的話(huà),相同模塊可實(shí)現本質(zhì)均流。

　　Vicor第二代轉換器模塊上的PR引腳是一個(gè)雙向端口,它可連接并聯(lián)均流總線(xiàn)。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(gè)雙向端口。該端口用作模塊狀態(tài)輸出,在轉換器工作過(guò)程中,該引腳直流電壓為6Vdc,在故障狀況下,比如過(guò)熱或輸出過(guò)壓時(shí),PC引腳將變?yōu)榈碗娖?對負輸入引腳-Vin的電壓接近0V)。在故障繼續存在的情況下,PC引腳周期地轉變?yōu)楦唠娖讲⒈M力使轉換器模塊重新起動(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(kāi)路集電極或漏極晶體管開(kāi)關(guān)。

　　取樣引腳用于提高輸出終端電源總線(xiàn)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總線(xiàn)上。終端取樣閉合調整控制回路,調整轉換器輸出電壓,以便補償輸出總線(xiàn)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)冗余系統中,每臺模塊的輸出端到電源總線(xiàn)必須串入一只二極管,在輸出總線(xiàn)上二極管的共陰極,總輸出電流為各轉換器之和。這樣任何模塊出現包括輸出短路的任何故障狀態(tài)時(shí),都可確?？偩€(xiàn)和電源系統可靠工作。當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(jiǎn)單地實(shí)現電源總線(xiàn)與轉換器隔離。每臺模塊的取樣線(xiàn)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(guò)程中,轉換器控制回路不會(huì )出現任何瞬間開(kāi)路。該電阻的最佳阻值為24Ω/V,也就是說(shuō),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。