机架式电源模块热插拔技术探讨.doc

机架式电源模块热插拔技术探讨俞利明 郑煊 杨振国浙江中控技术股份有限公司，杭州，310053摘 要：本文详细地分析了24VDC/5VDC电源转换模块在冗余热插拔时冲击电压的产生原因，通过实验对产生原因进行了验证，提出了4种解决问题的方案及验证结果，对方案优劣进行了比较及排序。关键词：热插拔 冲击电压 缓启动 验证Technology discuss for rack power module hot-swappingLiming Yu Xuan Zheng Zhenguo YangZhejiang SUPCON Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310053, ChinaAbstract：This paper analyze reason which create impulse voltage when hot-swapping redundancy 24VDC/5VDC power transform module. Proof problem cause thread experiment. Put forward 4 scenario for resolve problem and carry out proof. Carry out scenario compared and sorting.Key words：hot-swapping impulse voltage slow start proof前 言当前的分散控制系统（DCS）中，系统电源大多为24V DC供电，在机笼或机架上通过24V DC/5V DC的电源模块实现控制站内各类模块的5V电压供电。为保证5V电源供电的高可靠性及高可用性，要求电源转换模块具备冗余配置及热插拔功能，当冗余模块在插入系统和拔出系统时不会影响系统正常工作。常见的DCS中5V电源配置方式如图 1所示。图 1电源配置示意图“冗余”、“热插拔”是DCS系统非常基础且重要的特性之一，是DCS系统硬件可靠性、可维护性的直接体现。因此，电源卡的热插拔是绝不允许出现电压较大起伏，更不允许剧烈冲击。浙江中控的JX-300XP系统是当前中国应用套数最多的DCS（分散控制系统），以稳定和实用的特性赢得了广大客户的青睐。本文所提及的24V DC/5V DC电源转换模块（以下称电源转换模块）就是该系统的核心部件之一。在早期研制该部件过程中发现：若5V负载较轻时，对其中一个电源转换模块进行热插拔，5V输出端有时会出现高达20V的冲击电压，冲击电压的持续时间不等，一般为几十毫秒，最大可达几百毫秒，该冲击电压会造成机笼中的I/O卡件保险丝熔断、芯片损坏等严重故障。研发人员针对该热插拔的问题进行了详细的分析、总结和验证，并提出了相应的解决方案供读者分享。1 热插拔问题技术分析1.1 电源转换模块设计方案电源转换模块选择LM5116作为其电源管理芯片。LM5116采用Buck型拓扑结构，在分析上述问题之前，有必要了解Buck拓扑电路的原理。1.1.1 Buck电路的原理LM5116的Buck拓扑原理如图2所示图 2 Buck拓扑原理图 2中，LM5116主要控制Q1、Q2两个MOS管的导通占空比来调节电压的转换比，其占空比由充电阶段和放电阶段决定，简述如下：1. 充电阶段。在充电阶段开始时，LM5116打开Q1，关闭Q2，此时VIN对L1和C1组成的储能电路充电，当反馈网络检测到VOUT高于设定阈值时，控制电路进入放电阶段；2. 放电阶段。当进入放电阶段时，LM5116关闭Q1，打开Q2，此时L1和C1组成的储能电路对通过电路中负载放电，当LM5116的反馈网络检测到VOUT低于设定阈值时，控制电路又重新进入充电阶段。1.2 电源转换模块的冗余配置问题 当两块电源转换模块冗余配置时，两者有共同的输入端和输出端，且分布着很对的滤波电容和储能电容，如图3所示。但是在插拔的过程中，VIN、VOUT、以及GND并不是同时接触或同时断开，这就导致VOUT上的电平会受到冲击。图 3接口关系图为研究问题根源，笔者使用共地双踪示波器进行验证。将CH1接在工作卡输出端的正负两端；CH2的正极接入备用卡的系统地，负极悬空。当工作卡正常工作，插入备用卡，发现备用卡的系统地先于工作卡的输出端出现冲击电压，如Error! Reference source not found.所示。图 4冲击波形通过上述实验可验证：由于冗余卡的系统地引脚接入系统较24V输入引脚晚，导致24V输入电压以工作卡的“GND”作为参考地，并利用电容的瞬间导通特性，直接串到“VOUT”输出端，从而损坏机笼中的I/O卡。图 5冲击回流路径2 热插拔技术改进方案要解决该类电源转换模块在热插拔中存在的问题，首先要解决模块插入系统时，各电源引脚存在的上电时序问题，只要能保证电源地能早于输入输出引脚接入系统，即可解决该问题。根据该要求，笔者设计了四个方法以解决该问题，但各个方法的解决效果不一，下面分别对其进行介绍分析。2.1 输入端加开关如图 所示，将开关加在输入端，在卡件插入母板后，闭合开关，从而建立输入回路。通过该解决方案，输出端未出现冲击电压。该解决方案是保证系统地先插入母板，从而防止输入电压通过地平面串到到输出端。图 6输入开关示意图优点：解决方式稳定、可靠；缺点：不符合系统的整体形象，增加的开关按钮，现场容易触发误操作，给系统增加一定的隐患。2.2 输出端加TVS管如图 所示，在电源转换模块的输出端（即输出逆止二极管的后端）和地之间加一个TVS管。此处选择的TVS管是SMBJ6.5A，受到浪涌冲击时，箝位电压为7.227.98V，其可承受的冲击电压和冲击电流分别为11.2V和51.6A。图 6 TVS管位置示意图加入该TVS管后，输出端的电压箝位效果明显，冲击电压在6V7V左右。经过多次插拔实验证实，在输出端加TVS管的方式，对IO卡件的正常使用不会造成影响。优点：增加端口防护能力，能消除冲击电压对IO卡件的影响，成本较低。缺点：不能完全消除冲击电流的影响。2.3 输入端加缓启动在输入端加入缓启动电路，缓启动电路采用典型电路，如图 所示：图 6缓启动电路 缓启动电路加在输入端后，冲击电压出现在缓启动电路作用前。究其原因，主要是缓启动电路仍然存在电容电阻构成的冲击回路，但由于电容容值较小和电阻阻抗较大，输入端串到输出端的能量较小。在母板上加入一定的负载（如插入一块I/O卡），重新进行上述实验，不会出现冲击波形。优点：可避免误操作、符合系统整体形象。缺点：不能完全解决冲击电压（虽然该冲击电压较小，对系统影响也小），成本较高。2.4 欧插接口设置成长短针只要冗余能确保插拔模块的“GND”的针脚能较输入端引脚早接触母板，就能保证地平面的稳定，电源转换模块的输入端、输出端即可形成一个良好的滤波回路，不会将冲击电平传到输出端。根据这一思路，笔者将电源转换模块的输入端（+24VA/B）的引脚剪短一定长度，即系统地的针脚长于输入引脚，再将两块卡冗余配置，经过多次插拔实验，工作卡输出端未出现冲击电压，因此该方法是可行的。优点：解决方式简单、可靠，定制的欧插适用于I/O卡件。缺点：由于欧插要进行长短针设计，这意味着是一个定制品，供应厂家需要重组生产流水线，不但产品价格较高，且接受定制的意愿也较低。3 结论通过分析对比以及实验论证，已经证实以上4种改进方案都能解决XP258的热插拔问题。现将这4种方案按照优先级从高到低作如下排列：“欧插接口设置成长短针”、“输入端加缓启动”、“输出端加TVS管”、“输入端加开关” 。其中：l “欧插接口设置成长短针”的方式稳定可靠，从本质上解决了问题，所以作为本次设计的优选方案。l “输入端加缓启动的方式效果较好，符合系统要求，但成本较高，且不能如方法2、方法4一样，完全消除冲击，因此作为次优方案。l “输出端加TVS管”的方式能够解决热插拔产生的冲击电压，增加了浪涌防护能力，但对冲击电压的解决效果较方法4和方法3差，因此作为次选方案。l “输入端加开关”的方式虽然也有很好的解决效果，但在不合适系统中应用，且在工程应用中有一定的隐患，因此不建议选用该方法。由于带有长短针的欧插在采购上遇到了问题，在电源转换模块上我们选择了“输入端加缓启动”、“输出端加TVS管”二合一的组合方式。既在输入端增加缓启动，又在输出端加TVS管，在这双重保护下，无论怎样的插拔方式，输出端的冲击完全受控。经过2年多时间，几百个项目的应用，无不良情况反馈，实践证明该解决方案是非常成功的。参考文献1 王志强。精通开关电源设计。人民邮电出版社，2006年2 王正仕 张军明。实用开关电源设计。人民邮电出版社，2011年3 数据手册。LM5116