高可靠性分散供電板級解決方案

關鍵詞：分散供電；過流保護；過壓保護；極性保護；軟啟動

引言

在當前電信系統(tǒng)中存在分散供電與集中供電兩種解決方案。在分散供電系統(tǒng)中直接給各功能板提供-48V電源，然后由功能板上的DC/DC電源模塊產(chǎn)生本板所需的各種工作電壓。分散供電與集中供電相比具有輸入電壓范圍寬，效率高，功率損耗密度小，節(jié)省板位等優(yōu)點，同時分散供電要求各功能板必須獨立提供高可靠性的電源設計。

電路設計與實現(xiàn)

圖1 雙電源分散供電實現(xiàn)方案

由于通信系統(tǒng)一般同時需要多種電源，故本方案以Ericsson的-48V轉(zhuǎn)+5V模塊PKN4510和-48V轉(zhuǎn)+3.3V模塊PKF4211為例，來說明如何實現(xiàn)高可靠性的電源設計，電路具體實現(xiàn)如圖1所示。
過流保護
過流保護器件串聯(lián)在-48V電源的入口處，當輸入電流超過保護器件的額定值時，保護器件發(fā)生作用，切斷-48V電源輸入。通常有兩類過流保護器件可供選擇：
PTC(聚合物正溫度系數(shù))可復位保險絲；
普通融斷式保險絲。
PTC可復位保險絲的工作原理是：在過流情況下增大自身電阻來保護電路免受損害，一旦電流恢復正常，能自動恢復到正常低阻值。PTC可復位保險絲的優(yōu)點是可自動復位，缺點是感應速度比普通保險絲要慢得多，而這一點對保護電路中異常敏感的部份特別關鍵。另一方面，功率密度要比普通融斷式保險絲小的多，通常體積較大，這對于高密度功能板的布局是不利的。普通保險絲則靠熔斷來中斷電流。其優(yōu)點是體積小，反應速度快。
過流保護器件類型可以根據(jù)具體需求來確定，其額定值可以按功能板最大輸入工作電流的1.5~2倍來確定。
過壓保護
電源模塊的正常輸入工作電壓范圍為-36V~-72V，輸入電壓最大值通常不超過-75V~-80V，為了防止過高的輸入電壓損壞電源模塊，在-48V與地之間使用額定值100V的壓敏電阻F1。當輸入電壓Vi超過-100V時，F(xiàn)1迅速發(fā)生作用，將Vi抑制在-100V附近。
極性保護
為了防止Vi接反時損壞器件，利用二極管D1單向?qū)ㄌ匦?，配合過流保護構(gòu)成極性保護電路。在輸入電壓接反時，D1迅速導通，保險絲F1啟動過流保護功能，從而避免了除F1以外器件的損壞。D1可以采用1N5404。
軟啟動
在通信系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的可靠性，要求功能板支持熱插拔。如果一塊功能板不支持熱插拔，當其插入正在工作的系統(tǒng)時，會在本板的電源輸入端產(chǎn)生沖擊電流。在接插件上會出現(xiàn)打火，甚至可能使系統(tǒng)背板電壓總線上的電壓跌落，從而使系統(tǒng)誤動作或者復位，甚至使系統(tǒng)停止工作，同時長時間的沖擊電流會使快速保險絲熔斷。采用軟啟動可以實現(xiàn)熱插拔功能。
圖1中的軟啟動功能由R3，R4，C8，ZD，Q1組成。在上電瞬間，電容C8上的電壓為0V，場效應管Q1處于截至狀態(tài)，輸入電流經(jīng)過 R4 給 C8充 電，充電瞬間最大電流為 Vi/R4；隨著輸入電壓對 C8的充 電，Q1的柵極電壓慢慢上升，Q1的導通電阻會逐漸減小，當Q1柵極電壓上升到一定值時(4.5~12V)，Q1處于完全導通狀態(tài)，這時，Q1的導通電阻很小，一般只有幾十毫歐，這樣就避免了在Q1上產(chǎn)生較大的功率損耗。ZD為齊納二極管，防止Q1的柵源極電壓過高損壞Q1。
Q1取為IRF公司的IRFL110，由于Q1所需的驅(qū)動電流非常小，所以，R4和R3可選大電阻值，一般：R4為300K，R2為100K。同時通過改變C8的電容值可以改變充電的速度，來控制軟啟動的時間。圖1中C8取為2.2mF/25V。ZD的反相擊穿電壓取為18V，功率為0.5W。
EMC
DC/DC電源模塊可以產(chǎn)生傳導噪聲和輻射噪聲。輻射噪聲可以靠電源模塊和系統(tǒng)屏蔽解決，傳導噪聲需要在電源的輸入端加濾波器，因此電源的EMC設計主要考慮傳導噪聲。電源濾波器既可濾除外部傳導噪聲，也濾除電源模塊產(chǎn)生的傳導噪聲，從而防止其干擾其他設備。常用的濾波器有兩種：π型濾波器和共模型濾波器。
圖1中采用共模型濾波器，由C2、L1、C3、C5、C9組成。其中L1為Pulse公司的共模扼流圈P0351，參數(shù)為1.47mH，2.8A。C2和C3為1mF/100V，C5和C9為0.01mF/100V。
自斷電功能
通信系統(tǒng)常常出于系統(tǒng)保護的需要，要求在風扇工作異常、功能板自檢異常等情況下，能夠不拔出功能板而讓其自己主動退出服務。主動退出服務由功能板的自斷電功能來實現(xiàn)。
自斷電功能由圖1中的光藕可控硅SCR1，三極管Q2、Q3、Q4等組成。該功能利用了電源模塊的遠程控制端。當PWROFF為高時，三極管Q4導通，隨后SRC1導通， Q3、Q2依次導通進入飽和狀態(tài)，從而使得電源模塊PKN4510的RC控制腳與+IN引腳之間的電壓小于1V，PKF4211的RC控制腳與-IN引腳之間的電壓小于1V，滿足兩種電源模塊各自的遠程關電條件，電源模塊關閉。斷電后PWROFF無效，Q4截止，但通過SCR1檢測端的電流能夠維持其導通，Q2、Q3仍然保持飽和狀態(tài)。重新啟動時只需按下啟動開關CK8125，此時無電流流過SCR1檢測端，SCR1重新進入截止狀態(tài)，隨后Q3、Q2截止，電源模塊重新開始正常工作。
為避免功能板上電時誤斷電，可以利用上電復位芯片控制PWROFF在上電時為高阻。由于SCR1的柵極對干擾非常敏感，在其柵極并聯(lián)R12和C14。另外，為了增加抗干擾性能，還可分別在Q2、Q3的基極間并聯(lián)1個小電容。
在Q2、Q3的基集間加電容還可以控制上電順序。例如在Q2的基極加電容，3.3V將滯后于5V。利用這個特點可以根據(jù)需要確定上電順序。
自斷電主要器件選擇如下：SRC1為Fairchild公司的4N40，Q2為MMBTA92，Q3和Q4為MMBTA42。

圖2 軟啟動波形

圖3 有、無軟啟動時的-48V總線波形

測試結(jié)果
圖2是以-48V電壓為參考點所測得的軟啟動波形。如圖所示，在Start點，-48V電壓加到電路上，當Q1的柵極電壓上升到A點(約3V)時，Q1開始導通，漏極電壓開始緩慢下降；當柵極電壓持續(xù)上升到B點(約4.5V)時，Q1完全導通，漏極電壓達到-48V。從圖中可以看出，從Q1開始導通到完全導通，整個過程大約需要19.2ms。
圖3是有、無軟啟動時，功能板插入背板時-48V電源總線的波形。有軟啟動時，-48V總線干擾的峰值最大為3.6V左右, 時間持續(xù)約200ns；無軟啟動時，-48V總線干擾的峰值最大 11.4V左右，時間持續(xù)約1ms。由此可見，軟啟動既降低了干擾幅度，又減少了干擾時間。

結(jié)語
本文介紹的分散供電板級解決方案已成功地在實際通信系統(tǒng)中大量應用，充分驗證了該方案具有極高的可靠性。

參考文獻
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