在電信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱插拔電源的設(shè)計(jì)方法
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
熱插拔具有很多含義。例如，軟件必須適合增刪模塊，數(shù)據(jù)總線必須能容忍由連接及斷開(kāi)實(shí)時(shí)總線發(fā)射器與接收器所引起的瞬間誤差等。本文主要討論其中的三種考慮，即：為所有模塊保持良好的電源、同時(shí)如何撤掉故障模塊并將新模塊插入至運(yùn)行系統(tǒng)中。
熱插拔電源的含義
圖1顯示一種用于高可用性系統(tǒng)的常見(jiàn)冗余電源分配架構(gòu)。由于每個(gè)器件都是一個(gè)潛在的故障源，因此工程師必須將系統(tǒng)的每一個(gè)部分（底板除外）都設(shè)計(jì)成熱插拔。系統(tǒng)底板（或超結(jié)構(gòu)）與每一項(xiàng)功能都有關(guān)系，因此更換底板將需要拆下每一個(gè)組件――包括每一塊板、每一個(gè)托架及每一根線。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一要訣是獲得最高可能的底板可靠性，這意味著需采用只含有經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)
這種系統(tǒng)通過(guò)兩條高可靠性電源分配總線給每一個(gè)模塊供電。在大型系統(tǒng)中，這些電源距離機(jī)架有較長(zhǎng)的距離。為減少與壓降有關(guān)的問(wèn)題，必須采用粗電源線及高電源分配電壓。在電信行業(yè)，電源分配標(biāo)準(zhǔn)雖為額定 -48V，但實(shí)際電壓會(huì)由于負(fù)載電流、電源分配網(wǎng)絡(luò)中的電阻與電感以及電源狀態(tài)（正常、省電模式或從電池供電等）的不同而有很大變化。負(fù)電源可減少泄漏路徑的腐蝕，因?yàn)樨?fù)電壓可抵抗會(huì)腐蝕金屬的負(fù)離子。
為有效地將低電流、高電壓電源轉(zhuǎn)換成低電壓、高電流電源，每一塊電路板或模塊上都帶有DC/DC轉(zhuǎn)換器。即便這些直流/直流轉(zhuǎn)換器采用復(fù)雜的高頻開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)，它們也要求在其輸入上有一個(gè)低阻抗源，以獲得快速瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性及防止電壓跌落。但即使帶有遙測(cè)，長(zhǎng)感性電源分配線也不能完成此任務(wù)，因此每一DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入上都必須帶有大電解電容。
如果您將帶有大電解電容的簡(jiǎn)單電路板插入到受電底板中，則會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流。這些浪涌電流會(huì)引起底板電壓下降，進(jìn)而復(fù)位或干擾鄰近電路板。浪涌還會(huì)誤用連接器引腳、使電容過(guò)載以及通過(guò)產(chǎn)生EMI來(lái)干擾數(shù)據(jù)傳輸。足夠大的浪涌甚至還能使整個(gè)系統(tǒng)關(guān)機(jī)。為避免產(chǎn)生這種浪涌，系統(tǒng)中的每一塊電路板都帶有可限制浪涌電流的熱插拔電路。
熱插拔電路緩慢地將模塊電源升高以避免底板上產(chǎn)生電源尖峰。此外，如果模塊試圖消耗過(guò)多的功率，則熱插拔電路還能先斷開(kāi)模塊電源，并在故障清除（及延時(shí)）后重新接上，同時(shí)還能將模塊狀態(tài)發(fā)給系統(tǒng)監(jiān)視器或從其上接收命令。
除緩慢升高電解電容的電源外，熱插拔電路還驅(qū)動(dòng)一個(gè)（或多個(gè)）DC/DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理器、激光器及風(fēng)扇等各類(lèi)負(fù)載。但DC/DC轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)管理這些不同組件的電源要求，因此熱插拔電路設(shè)計(jì)任務(wù)的主要挑戰(zhàn)還是給大電解電容供電。
電壓浪涌情況
通信系統(tǒng)從額定-48V上分配電源，但DC/CD轉(zhuǎn)換器還考慮了較寬的直流電壓范圍（例如-36~-72V），以考慮不同工作模式、電源分配總線上的壓降及溫度變化等因素。
除這種工作范圍外，電源總線上還常常會(huì)有電壓浪涌。一種最壞的浪涌情況是，當(dāng)保險(xiǎn)絲將一個(gè)出現(xiàn)故障、電流過(guò)高的模塊從電源總線上斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電流會(huì)突然改變。一項(xiàng)電源浪涌標(biāo)準(zhǔn)考慮了-75V (10 ms)、-100V (10ms) 及 -200V (1ms) 三種最大浪涌電壓。
熱插拔電路直接暴露在這些極端電源浪涌下，并能在輸入超過(guò)最大安全工作電壓時(shí)，通過(guò)將負(fù)載從電源總線上斷開(kāi)來(lái)幫助控制浪涌。但最嚴(yán)重的浪涌對(duì)于大多數(shù)堅(jiān)固的熱插拔電路來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，很多系統(tǒng)都帶有瞬態(tài)抑制器（金屬氧化物變阻器、瞬態(tài)吸收器 (Transorb) 及其他器件）來(lái)吸收最大及持續(xù)時(shí)間最短的浪涌。
有源熱插拔技術(shù)
熱插拔要求使用帶電子驅(qū)動(dòng)的功率FET來(lái)控制浪涌電流。有很多IC都能驅(qū)動(dòng)功率FET，其中一些通過(guò)將浪涌電流限制在I=CLOADdV/dt上來(lái)控制負(fù)載上的電壓斜率。如果負(fù)載電容已知并在負(fù)載阻抗中占支配地位，則控制電壓斜率可很好地控制浪涌電流。但設(shè)計(jì)者必須針對(duì)所期望負(fù)載電容對(duì)每一實(shí)現(xiàn)的斜率進(jìn)行優(yōu)化。
這些IC中常常包含帶電流限制的電流檢測(cè)（檢流）電路、開(kāi)/關(guān)負(fù)載的邏輯輸入以及報(bào)告負(fù)載狀態(tài)的邏輯輸出。限流電路的作用就如同帶可控響應(yīng)時(shí)間及精確啟動(dòng)電流的電路斷路器。當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)預(yù)編最大值時(shí)，IC會(huì)將負(fù)載斷開(kāi)。如果在負(fù)載接通期間出現(xiàn)過(guò)電流，則由過(guò)電流所產(chǎn)生的浪涌最小，因?yàn)殡娏飨拗茣?huì)隨電源升高而將浪涌箝住。但如果在負(fù)載接通擺動(dòng)結(jié)束、且功率FET完全打開(kāi)后出現(xiàn)過(guò)電流，則仍有可能出現(xiàn)高浪涌，因?yàn)楣收铣霈F(xiàn)需要一定的延時(shí)、且對(duì)功率FET柵極電容放電也需要一定的時(shí)間。
最通用的熱插拔方法是直接用一個(gè)線性電流放大器(LCA) 來(lái)控制負(fù)載電流。LCA結(jié)合定制高增益放大器與電流檢測(cè)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率FET。當(dāng)您在帶有LCA的系統(tǒng)中插入或接通電路板時(shí)，電流命令會(huì)將LCA輸入驅(qū)動(dòng)至一個(gè)代表最大負(fù)載電流的水平，然后LCA會(huì)將負(fù)載電流調(diào)整到一個(gè)恰當(dāng)水平并對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電，此時(shí)與負(fù)載電容的大小無(wú)關(guān)。這種方法很通用，因?yàn)橐环N熱插拔實(shí)現(xiàn)可與任何一種負(fù)載一起使用，并自動(dòng)對(duì)負(fù)載電容充電時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。盡管控制負(fù)載電壓斜率可減少浪涌電流，但負(fù)載特征仍決定著最終的浪涌情況，因此需要對(duì)每一種負(fù)載進(jìn)行再設(shè)計(jì)。
圖2顯示一種給四個(gè)容性負(fù)載加電的可控電壓斜率熱插拔控制器。圖3顯示一種給同樣四個(gè)容性負(fù)載加電的可控負(fù)載電流熱插拔控制器。以可控電壓斜率控制器，大于150mF的負(fù)載電容所產(chǎn)生的浪涌電流可超過(guò)啟動(dòng)點(diǎn)，從而迫使電路關(guān)斷。無(wú)論何種負(fù)載，可控負(fù)載電流設(shè)計(jì)均可平滑地接通負(fù)載并以相同的峰值電流來(lái)對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電。
此外，可控負(fù)載電流熱插拔電路還可滿足高負(fù)載電流的瞬間要求，從而使系統(tǒng)
在某些情況下，系統(tǒng)噪聲問(wèn)題要求將負(fù)載電流斜率設(shè)置為最大。設(shè)計(jì)者很容易對(duì)可控負(fù)載電流熱插拔電路進(jìn)行編程、并通過(guò)用一個(gè)電容來(lái)控制LCA輸入以實(shí)現(xiàn)斜率控制。
基于以上這些原因，帶LCA的熱插拔電路通常為首選。不管負(fù)載電容如何它都能對(duì)浪涌電流進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)總的浪涌控制，并當(dāng)浪涌時(shí)間超過(guò)預(yù)編最大值時(shí)將負(fù)載斷開(kāi)，同時(shí)還很容易控制負(fù)載電流的斜率。
可控電流熱插拔
但可控電流也有缺點(diǎn)?？煽仉妷盒甭实膬?yōu)點(diǎn)是它天然就穩(wěn)定?？煽仉妷盒甭蕦?shí)現(xiàn)不要求進(jìn)行閉環(huán)控制，而只需依靠流入電容中的開(kāi)環(huán)電流來(lái)設(shè)置斜率（圖4）。
從比較中可看出，可控電流熱插拔電路將功率FET及檢流電阻置于一個(gè)反饋環(huán)路中（圖5），該環(huán)路在所有工作模式中都必須進(jìn)行補(bǔ)償以避免不穩(wěn)定。如果環(huán)路變得不穩(wěn)定或臨界穩(wěn)定，則輸出電流可能會(huì)過(guò)沖并過(guò)早地啟動(dòng)限流電路。但幸運(yùn)的是，現(xiàn)代可控電流熱插拔IC都包含有仔細(xì)考慮了各種條件下環(huán)路穩(wěn)定性的補(bǔ)償LCA，因此不用擔(dān)心它不穩(wěn)定。
可控電流熱插拔要求有一個(gè)檢流電阻或另一個(gè)檢流元件。大多數(shù)系統(tǒng)都采用了某種類(lèi)型的電流檢測(cè)，因此此項(xiàng)要求并不是一個(gè)什么缺點(diǎn)，但它卻給該技術(shù)增加了另一項(xiàng)約束（表1）。
如何實(shí)現(xiàn)熱插拔
控制負(fù)載電壓斜率的熱插拔IC以一個(gè)恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)功率FET，并依靠柵－漏電容來(lái)控制負(fù)載電壓斜率。以此種方式，負(fù)載電壓斜率被設(shè)置在dV/dt=I/CGD上。在高電壓系統(tǒng)中，此電容必須為一個(gè)高電壓電容。任何功率FET柵－漏電容都會(huì)增加至外部電容值中，因此，為保持良好的控制，所增加的電容應(yīng)大大高于功率FET的內(nèi)部電容。
一旦負(fù)載電壓達(dá)到電源電壓，漏極會(huì)停止上升，但柵極電流會(huì)繼續(xù)將外部電容充電至一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)VGS（典型為12V）。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，IC必須迅速將功率FET的內(nèi)部電容及外部柵極電容從12V放電至0V，以避免損壞或干擾鄰近模塊。為使故障響應(yīng)時(shí)間最短，外部電容應(yīng)盡可能地小，但這種情況又會(huì)導(dǎo)致不完美的折衷，因?yàn)樗鼤?huì)與外部電容應(yīng)足夠大以保持容差的要求相抵觸。
采用可控電壓斜率的熱插拔實(shí)現(xiàn)可檢測(cè)瞬間負(fù)載過(guò)電流、設(shè)置一個(gè)故障門(mén)限并斷開(kāi)負(fù)載。雖然這種實(shí)現(xiàn)很安全，但系統(tǒng)只要瞬間產(chǎn)生過(guò)電流都會(huì)關(guān)機(jī)，當(dāng)您將第二個(gè)電源插入至系統(tǒng)中、從電池上工作一段時(shí)間后再重新接通電源、或保險(xiǎn)絲接通瞬間輸入電壓浪涌時(shí)都會(huì)出現(xiàn)這種情況。
電源瞬態(tài)及接通事件可將漏極通過(guò)外部電容耦合至功率FET的柵極，從而造成臨時(shí)電流浪涌。為避免出現(xiàn)這種情況，實(shí)際會(huì)將一個(gè)電阻與外部柵－漏電容以及從柵極到源極的第二外部電容串聯(lián)（圖4）。但您還必須在出現(xiàn)故障時(shí)將此第二電容放電，以避免延長(zhǎng)故障響應(yīng)時(shí)間。
從比較中可看出，可控電流熱插拔系統(tǒng)用一個(gè)運(yùn)放（尤其是LCA）來(lái)使負(fù)載電流在任何時(shí)候都處于控制下。LCA的輸入為一個(gè)與負(fù)載電流成正比的電壓命令。LCA將外部FET的柵極電壓調(diào)整到將負(fù)載電流保持到輸入命令電壓除以檢流電阻的電流上所需的水平。
當(dāng)系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)電壓命令為0。當(dāng)重新打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，輸入電壓命令會(huì)逐漸從0變至所需最大電流。輸出電流則隨LCA驅(qū)動(dòng)外部FET而迅速上升至全調(diào)整電流（通常為100秒）。經(jīng)過(guò)此起始開(kāi)機(jī)上升后，LCA將負(fù)載電流保持在命令水平上，直到負(fù)載電容充電至電源電壓為止，然后LCA飽和，過(guò)驅(qū)動(dòng)功率FET并在柵－源上加上大約12V的電壓。
更小的負(fù)載電流斜率有利于減小系統(tǒng)EMI，因此，如果需要，您可以通過(guò)給LCA輸入增加一個(gè)電容來(lái)減小開(kāi)機(jī)負(fù)載電流斜率（圖5）。但使用可控負(fù)載電流IC則不需要一個(gè)外部高電壓柵－漏電容或一個(gè)外部柵－源電容。
在可控電流熱插拔系統(tǒng)中，LCA一般用于補(bǔ)償?shù)铜h(huán)路帶寬以避免出現(xiàn)不穩(wěn)定。這種設(shè)計(jì)特點(diǎn)允許自由選擇功率FET而無(wú)需考慮環(huán)路補(bǔ)償。但它也意味著電流環(huán)路本身太慢以至于不能對(duì)由輸入電壓瞬間改變所引起的電流浪涌進(jìn)行迅速響應(yīng)。當(dāng)您將第二個(gè)電源插入至系統(tǒng)中、或以電池工作后恢復(fù)至主電源或保險(xiǎn)絲接通后都可能出現(xiàn)這種浪涌。為處理這種瞬態(tài)，可控電流熱插拔IC帶有一個(gè)用于檢測(cè)突變過(guò)電流及LCA前饋通道以迅速將環(huán)路帶回調(diào)整的比較器。
與采用可控電壓斜率及兩個(gè)外部柵極電容的系統(tǒng)相比，采用可控電流的系統(tǒng)擁有低得多的總柵極電容。LCA上的唯一負(fù)載是功率FET本身的內(nèi)部電容，這意味著可控電流實(shí)現(xiàn)內(nèi)在地?fù)碛懈斓墓收享憫?yīng)速度。
評(píng)論