热插拔功能消除停机时间

在采用故障容限电源架构的应用系统中,都要求带有热插拔功能以满足零停机时间的要求。现代模拟通信和数据通信系统中,通常都必需满足这个要求。带电插拔功能同时也称为热插拔功能,在电源设计中是非常重要的。本文介绍采用具有热插拔功能的电源模块组成48V分布式电源结构,应考虑的设计问题。

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,热插拔功能能防止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的即使是瞬间波动,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同时断开,而是有规律地逐次接通或逐次断开。因此必须分步骤,保证电源按顺序接通或断开。

满足上述要求的设计规则为：

•带电插拔时,各种参数决不能超过各元件的极限值或绝对最大额定值。

•带电插入电源模块,浪涌电流必须限制在可接受的数值,以免48V输入总线电压中断或跌落。减小各接点之间产生的火花。

•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,保证输出总线电压平稳并且不产生影响调整率的突变。

•负载断开或者未接取总线时,决不允许变换器传输能量,即产生功率突变。

为了满足上述这些要求,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,转换器在负载切断或取样线中断以前关断。同时,电源模块带电插入时,所有输入和输出端都接通以前,转换器暂时保持关断状态。否则带电插拔时,连接器接点无规律的通电和断电,有可能损坏转换器模块,甚至损坏整个系统。

对故障容限首要并且是最重要的要求是冗余度,也就是说,在电源系统中,至少应有一台额外的转换器或者说有一台冗余转换器。该系统通常称为N+M 配置,其中,N台转换器可满足负载要求的功率,M台转换器模块作备用。应用过程中,一台转换器模块关断或发生故障时,尽管每台模块的负载电流突然增加,但是其他模块仍可保证系统输出功率不受任何影响,同样,当一台附加的转换器模块接入电源系统后,尽管每台电源模块的负载电流突然减小,系统的输出功率也不受任何影响,为此,各台转换器应具有均流能力,并且应尽量减小每台模块恢复正常供电所需的动态响应时间。为了负载自动均流,电源模块中应加入某些均流控制电路。电源模块的工作温度对可靠性有很大影响,工作温度每降低10℃,平均无故障时间可廷长一倍。实践证明,在电源系统中,一台模块输出电流为另一台模块输出电流的二倍时,该电源模块的温升将增加一倍。

Vicor第二代转换器模块具有一些极好的特性,大大简化了在并关冗余系统中的应用。最重要的特性包括使能和关断、独特的主、从均流控制、自主指挥功能。假定其中一个模块在整个系统中总处于主控地位。Vicor第二代转换器模还具有一些普通的特性,比如欠压封锁、软起动、输出限流和远距离取样等。Vicor转换器采用零电流谐振开关。控制开关频率和从隔离转换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),因此各模块的开关频率完全同步的话,相同模块可实现本质均流。

Vicor第二代转换器模块上的PR引脚是一个双向端口,它可连接并联均流总线。该端口可以接收或传输同步脉冲信号。可控制模块传输同步工作,所有其他模块均接受同步脉冲,保证所有模块同频率工作。

PC(初级控制)引脚也是一个双向端口。该端口用作模块状态输出,在转换器工作过程中,该引脚直流电压为6Vdc,在故障状况下,比如过热或输出过压时,PC引脚将变为低电平(对负输入引脚-Vin的电压接近0V)。在故障继续存在的情况下,PC引脚周期地转变为高电平并尽力使转换器模块重新起动。只有故障状态消除后,PC引脚?才可能保持高电平。

PC引脚也可作使能/关断输入引脚,如果PC引脚外接低电平,转换器则关断。PC引脚维持低电平时,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。

取样引脚用于提高输出终端电源总线电压的稳定精度,通常电源系统的负载都接在输出终端电源总线上。终端取样闭合调整控制回路,调整转换器输出电压,以便补偿输出总线上产生的电压降。取样引脚终端接法是维持输出电压控制所必须的。在故障容限并联冗余系统中,每台模块的输出端到电源总线必须串入一只二极管,在输出总线上二极管的共阴极,总输出电流为各转换器之和。这样任何模块出现包括输出短路的任何故障状态时,都可确保总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,可简单地实现电源总线与转换器隔离。每台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。转换器取样引脚和电源引脚之间接入一只电阻,可以确保电源模块插拔过程中,转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,也就是说,该电阻的阻值决定于输出电压。例如,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：

•拔出前电源模块应当关断;

•插入时,电源模块应处于暂时关断;

•电源模块应能限制浪涌电流。

这些要求可采用多种方法来实现。显然,最简单的方法是在带电插拔过程中,用一只机械开关将转换器模块关断。插入电源模块以前,该开关应处于关断位置,当接插件的各接点牢固地接通后,该开关才转换到接通位置。与此相反,拔出转换器模块以前,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引脚,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,该锁定接头可以机械地连接微型开关,以实现转换器模块开机和关机。

电源模块插拔过程中,还可采用另一种自动关断转换器的方法。采用这种方法,不需要人工动作,而采用机械开关时,必须手动控制。采用自动控制法,可以消除人工误动作的可能性,也就是说,可以防止机械开关处于导通状态时插入或拔出转换器模块。图1所示电路可完成自动关断模块的功能,但是要求采用接点交错排列的接插件。应特别指出利用该控制时,电源模块应采用独特的通断控制引脚,以便保证插入模块最后接通电源模块,拔出时首先断开电源模块。

图1 带电插拔自动保护

IAM48模块含有一只串联FET开关,可以实现48V总线到转换器输入的通断控制,通断控制引脚内部有上拉电路,并且为了将48V母线与转换器模块接通,通断控制器必须拉到低电平。该模块内两输出端之间还有一个并联开关。当通断控制引脚对总线负极为高电平(断开)时,该并联开关处于导通状态。当48V总线关断时,总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,还可完成瞬变过电压保护。通信设备中为了满足EMC(电磁兼容)标准,通常都采用IAM和Fit Mod模块。在通信设备中,都要求电源模块具有热插拔功能,因此应选用IAM模块或其他可限制浪涌电流的模块。

电源模块插入电源总线时的起动顺序如下：首先,除了短引脚外,接插件的所有引脚都按无规律的顺序接通(参看图2所示波形),此外,转换器并不能起动。因为通断控制短引脚并未接通,该局引脚通过晶体管Q1使IAM模块维持关断状态。同时,晶体管Q3还把转换器模块的PC引脚拉到低电平,因此转换器模块处于关断状态。当所有其他引脚都接好以后,短引脚才接通。IAM模块的通断引脚被拉到低电平,因此IAM模块导通,48V电源总线上的电容器开始以可控的速率充电,总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,转换器模块得到使能信号,但是当总线电压达到欠压封锁门限值(约34V)以前,转换器模块不能起动。总线电压达到欠压封锁值以后,由于转换器模块具有软起动特性,所以至少还需经过100ms后,转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,当转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,该转换器模块才输出均衡的负载电流。

图2 热插拔过程波形图

电源模块总线上拔出时的工作顺序与插入时的顺序相反。短引脚在IAM模块关断48V电源的其他引脚以前断开,同时,转换器模块总线电容通过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继续提供保持晶体管Q3导通所需的电流。从而确保PC引脚保持低电平,直到48V总线电压下降到欠压封锁值。这样,可以保证所有其他接点无规律断开过程中,转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,并且,在插拔过程中,输入和输出总线电压波动很小,在插拔过程中,应当保证所有模块的引脚电压不超过最高额定电压。插入电源模块时,必须在其他引脚无规律接通以后,短引脚才能接通。拔出电源模块时,必须在其他引脚完全断开以后,短引脚才断开。