热插拔功能的电源模块应用与热插拔运行中的安全控制

1  前言
    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，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≥200W。而背板为刀片以及它们之间的通信提供电源(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两个方面的内容：①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；②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会问题。

2  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。
    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：
 ① 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；
 ② 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；
 ③ 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；
 ④ 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。

[page]2.1 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。

2.2 电源模块中应加入某些均流控制电路
    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。

3  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

3.1 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。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；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转换器采用零电流谐振开关。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。
[page]    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，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。

3.2 IAM48模块的应用
    IAM48输入功率调整模块Vin为36V-76V、10A，而Vout为+75V～-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48V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Filt Mod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Filt Mod模块(见图1中Filt Mod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。

3.3 Filt Mod模块特征
    VI-IAM(即Filt Mod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1V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。

3.4 电源模块插入电源母线时的起动顺序
    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。
[page]    电源模块IAM48从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锁值。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，必须在其他引脚完全断开以后，短引脚才断开。

4  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会问题
    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会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进行研讨。

4.1 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。过大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插拔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-48V中实现的热插拔控制器电路的基本架构。

    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。

4.2 热插拔控制器电路的安会运行
    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ms)。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。该电流将对隔离电容充电，直到VMOSFET引脚处的电压接近-48V。此时DC/DC转换器被打开，以便为刀片的有效载荷部分供电。
    当有另外的板卡插入而使背板电压下降时，隔离电容的作用是保证电路板处于工作状态。隔离电容的大小与刀片消耗的总功率，以及防止出现欠压的需求直接成正比。当欠压情况下的脉冲宽度超过预置的时间限制时，将其归为“电源欠压”情况，此时欠压锁定过程开始。欠压锁定过程关闭MOSFET，直到背板电压恢复到正常值。在欠压的情况下，与GND串联的肖特基二极管可阻止来自隔离电容的反向电流流入背板。热插拔控制器还能检测到电源故障，如欠压和过流。在这两种情况下，热插拔控制器将在故障排除后重新为刀片供电。■