热插拔电源模块的应用与安全控制

热插拔电源模块的应用与安全控制热插拔电源模块的应用与安全控制 中心议题 采用 48v 分布式电源结构时应考虑的设计问题 用控制器电路解决热插拔运行中的安全问题 解决方案 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 iam 浪涌电流必须限制在可接受的 数值 带电插入 dc dc 转换器时 转换器的负载电流必须限制 在额定值以内 负载断开或者未接取样线时不允许 dc dc 转换器传输能 量 带电插拨功能同时也称为热插拔功能 在电源设计中是非 常重要的 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 在现代模拟通信和数 据通信系统中 通常都必需满足这个要求 实际上 许多大型电信和数据通信系统都采用插入到机架 内共同背板上的多个电路板或刀片来构建 由于现代刀片具有 更高级的功能 它需要消耗更多的功率 如高级电信计算架构 atca 刀片消耗的功率约为 200w 而背板为刀片以及它们 之间的通信提供电源 例如 48v 48v 12v 由于背板电源始终处于开启状态 因此被称为 热 或者 运 行着 的背板 刀片必须插入机架而不能影响背板上其余刀片的 工作 最新插入的刀片将利用背板的电源工作 如果检测到刀 片发生故障 必须从插槽中把这个刀片拔掉 再把新的刀片插 入同一个插槽以恢复服务 把刀片插入运行中的背板或者从插 槽中拔掉的过程称为 热插拔 可以支持这个功能的刀片称为 可热插拔 的刀片 因此本文将介绍以下二个方面的内容 其一 采用具有热 插拔功能的电源模块组成 48v 分布式电源结构时应考虑的设计 问题 其二 用热插拔控制器电路解决多个电路板或刀片刀片 热插拔运行中的安会问题 热插拔功能的电源模块 如 iam 型 组成 48v 分布式电源结 构的设计规则 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 热插拔功能需避免对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 为满足上述要求 所以热插拔功能的电源模块 如 iam 型 组成 48v 分布式电源结构的设计规则应注意如下几点 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 iam 浪涌电流必须限制在可接受的 数值 以免 48v 输入母线电压中断或跌落 同时减小各接点之 间产生的火花 带电插入 dc dc 转换器时 该转换器的负载电流必须限制 在额定值以内 保证输出母线电压 vout 平稳并且不产生影响调 整率的突变 负载断开或者未接取样线时 决不允许 dc dc 转换器传输 能量 即产生功率突变 1 带电插入的模块应具有的功能 为了实现上述设计规则 在每只可带电插入的模块 iam 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 dc dc 转换器在负载切断或取样线中断以前就关断 同时 电 源模块 iam 带电插入时 其所有输入和输出端都接通以前 dc dc 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 dc dc 转换器模块 甚至 损坏整个系统 2 电源模块中应加入某些均流控制电路 这为什么呐 众所周知 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 所以为了负载自动 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 时间可延长一倍 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 应用第二代 dc dc 转换器与热插拔功能的电源模块 iam48 构建的 48v 分布式电源方案 图 1 为 48v 分布式方案示意图 1 第二代 dc dc 转换器模块特性 今使用的是 vicor 的第二代转换器模块 它具有一些极好的 特性 大大简化了在并联冗余系统中的应用 该第二代转换器 模块重要的特性 包括使能和关断 独特的主从均流控制及自 主指挥功能 其中一个转换器模块在整个系统中总处于主控地 位 第二代转换器模块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 尤其是 vicor 转换器采用零 电流诣振开关 即 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 相同模块可实现自动均流 由图 1 可知 第二代 dc dc 转换器模块上的 pr 脚是一个双 向端口 它可连接并联均流母线 该端口可以接收或传输同步 脉冲信号 可控制转换器模块传输同步工作 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 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 该脚直流电压为 6vdc 在故障状况下 比如过热或输出过 压时 pc 脚将变为低电平 对负输入脚 vin 的电压接近 0v 在 故障继续存在的情况下 pc 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 脚才可能保持高电平 pc 脚也可 作使能 关断输入脚 如果 pc 脚外接低电平 转换器则关断 pc 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 见图 1 所示的 q3 取样脚 s 用于提高输出终端电源母线电压的稳定精度 通 常电源系统的负载都接在输出终端电源母线上 终端取样闭合 调整控制回路 调整转换器输出电压 vout 以便补偿输出母线 vout 在图 1 左端扦件上 上产生的电压降 取样脚终端接法是维 持输出电压控制所必须的 在故障容限并联冗余系统中 每台转换器模块的输出端 vout 到电源母线 在图 1 左端扦件上 必须串入一只二极管 在 输出母线上二极管的共阴极 总输出电流为各 dc dc 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 确保母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 可简单地实现电源母线与转换器隔离 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 分 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 24 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 120 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 2 iam48 模块的应用 iam48 输入功率调整模块 vin 为 36v 76v10a 而 vout 为 75vto 75v 其效率为 97 iam48 模块含有一只串联 fet 开关 可以实现 48v 母线到 dc dc 转换器输入的通断控制 通断控制脚 on off 见图 1 中 iam48 模块的引脚 内部有上拉电路 并且为了将 48v 母线与 dc dc 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 vout 与 vout 之间还有一个并联开关 当通断控制 脚对 48 母线负极为高电平 断开 时 该并联开关处于导适状态 当 48v 母线关断时 母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 iam48 模块还具有限制浪捅电 流的功能 并且与 filtmod 模块或 emi 滤波器模块配合 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 iam48 和 fitmod 模块 见图 1 中 fitmod 模块与 iam48 模块的连接 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 lam48 电源模块或其他可限制浪涌电流的 模块 3filtmod 模块特征 vi iam 即 filtmod 模块 输入衰减模块是一只元件级的 dc 输入前端滤波器 它的特点是占用很少的空间 同时提供最大 的保护效能 适用于精密的电子系统 vi iam 可与 vicor 的 24v 48v 或 300v 输入模块配套使用 组成高效率 高功率密 度的电源系统 系统的输出电压由 1 至 95v 功率达 400w 可 扩展至 800w 利用 vi iam 可组成体积少 高效及可靠的电 源系统 满足电讯和工业应用的最高要求 4 电源模块插入电 源母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 此外 转换器并不能起动 因为通断控制短引脚并未 接通 该脚通过晶体管 ql 使 iam48 模块维持关断状态 同时 晶体管 q3 还把 dc dc 转换器模块的 pc 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 iam48 模块 的通断脚被拉到低电平 因此 iam48 模块导通 48v 电源母线 上的电容器开始以可控的速率充电 母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 1am48 模块导通后 dc dc 转换器模块得到使能信号 但是当母线电压达到欠压封锁门 限值 约 34v 以前 dc dc 转换器模块不能起动 母线电压达到欠压封锁值以后 由于 dc dc 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 电源模块 iam48 母线上拔出时的工作顺序与插入时的顺序 大致相反 短引脚在 lam48 模块关断 48v 电源的其他引脚以前 断开 同时 转换器模块关断 母线电容通过 iam48 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 导遁所需的电流 从而确保 pc 脚保持低电平 直到 48v 母线电压下降到欠压封镇 值 这样 可以保证所有其他接点无规律断开过程中 dc dc 转换器模块不产生功率变换脉冲 上述热扦拔技术已经成功地应用于许多产品中 并且在插 拔过程中 输入和输出母线电压波动很小 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 iam 时 必须在其他引脚必须完全断开以后 短引脚才断开 用热插拔控制器电路解决多个电路板或刀片热插拔运行中 的安全问题 虽然用热插拔功能的电源模块 如 iam 型 可组成 48v 分布 式电源结构 但如何确保热插拔运行中的安全却是很重要的控制 技术 于是适用于大功率刀片的 48v 或 48v 用热插拔控制器电 路技术被提到议事日程作研讨 1 热插拔控制器电路基本架构 当刀片插到背板上时 刀片上所有连接到背板的电容开始 充电 从背板吸取大量的电流 浪涌电流会导致背板电压瞬间 下降 并在连接器上产生电弧 过多的浪涌电流可使背板电源 超载 从而完全关闭电源 并影响机架上其余刀片的工作 为了尽可能地减小电路板热拔插对机架上其余刀片的影响 热插拔期间需要限制刀片的浪涌电流 限制浪涌电流的电路称 为 热插拔控制器电路 图 2 为在大功率刀片的 48v 中实现的热插拔控制器电路的 主要基本架构 从图 2 的左上方开始 gnd 端通过肖特基二极管将电源送至 dc dc 转换器 dc dc 模块是一个产生有效载荷电源电压 12v 5 6v 等 的独立电源 dc dc 转换器的负端通过 mosfet 开关和电流感测电阻连接到 48v 电源 dc dc 转换器两端的隔 离 hold off 电容保留了足够的电荷以确保电路板在背板电压降 低期间保持运作 热插拔控制器利用电流检测电阻 r 检测和 vmosfet 信号来 监控 mosfet 电流和电压 以便控制在发生浪涌时 mosfet 消 耗的功率 2 热插拔控制器电路的安全运行 当板卡被插入背板时 可以看到由 mosfet 寄生电容引起 的短暂的浪涌电流脉冲 通常为几毫秒 此外 由于连接器的触 点颤动 电源以脉冲的方式加到刀片上 热插拔控制器可使 mosfet 和 dc dc 转换器在触点颤动停止前处于关闭状态 然 后利用 r 检测上的电压作为反馈电压慢慢地打开 mosfet 这 样做是为了将浪涌电流值限制在刀片电源电流的最大给定值以 下 该电流将对个隔离电容充电 直到 vmosfet 引