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热插拔电源模块的应用与安全控制

  
评论: 更新日期:2016年01月27日

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。

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。
 

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