热插拔功能消除停机时间(05-100)
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。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。带电插拔功能同时也称为热插拔功能,在电源设计中是非常重要的。本文介绍采用具有热插拔功能的电源模块组成48V分布式电源结构,应考虑的设计问题。
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,热插拔功能能防止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。
满足上述要求的设计规则为：
•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,浪涌电流必须限制在可接受的数值,以免48V输入总线电压中断或跌落。减小各接点之间产生的火花。
•带电插入变换器时,该变换器的负载电流必须限制在额定值以内,保证输出总线电压平稳并且不产生影响调整率的突变。
•负载断开或者未接取总线时,决不允许变换器传输能量,即产生功率突变。
为了满足上述这些要求,在每只可带电插入的模块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,转换器在负载切断或取样线中断以前关断。同时,电源模块带电插入时,所有输入和输出端都接通以前,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,有可能损坏转换器模块,甚至损坏整个系统。
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。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℃,平均无故障时间可廷长一倍。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。
Vicor第二代转换器模块具有一些极好的特性,大大简化了在并关冗余系统中的应用。最重要的特性包括使能和关断、独特的主、从均流控制、自主指挥功能。假定其中一个模块在整个系统中总处于主控地位。Vicor第二代转换器模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。Vicor转换器采用零电流谐振开关。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,相同模块可实现本质均流。
Vicor第二代转换器模块上的PR引脚是一个双向端口,它可连接并联均流总线。该端口可以接收或传输同步脉冲信号。可控制模块传输同步工作,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)引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,该引脚直流电压为6Vdc,在故障状况下,比如过热或输出过压时,PC引脚将变为低电平(对负输入引脚-Vin的电压接近0V)。在故障继续存在的情况下,PC引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引脚?才可能保持高电平。
PC引脚也可作使能/关断输入引脚,如果PC引脚外接低电平,转换器则关断。PC引脚维持低电平时,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。
取样引脚用于提高输出终端电源总线电压的稳定精度,通常电源系统的负载都接在输出终端电源总线上。终端取样闭合调整控制回路,调整转换器输出电压,以便补偿输出总线上产生的电压降。取样引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,每台模块的输出端到电源总线必须串入一只二极管,在输出总线上二极管的共阴极,总输出电流为各转换器之和。这样任何模块出现包括输出短路的任何故障状态时,都可确保总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,可简单地实现电源总线与转换器隔离。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。转换器取样引脚和电源引脚之间接入一只电阻,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。
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