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[導(dǎo)讀]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。

    當(dāng)今最重要的系統(tǒng)不能容忍有任何宕機(jī),我們永遠(yuǎn)都不希望電話交換機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、蜂窩通信設(shè)施或醫(yī)院信息系統(tǒng)等宕機(jī)。但即使帶有冗余數(shù)據(jù)路徑、電源及存儲(chǔ)的最可靠系統(tǒng),也仍然會(huì)偶爾發(fā)生故障。例如,它可能以器件故障以及由不可預(yù)測(cè)事件(如雷擊等)所導(dǎo)致的加壓故障等形式出現(xiàn),并要求進(jìn)行遙控升級(jí)。因此,設(shè)計(jì)人員必須將這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可更換的模塊,然后可在系統(tǒng)不關(guān)機(jī)的情況下更換故障模塊,這就是所謂的“熱插拔”。
  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)過良好設(shè)計(jì)

的布線、冗余互連組件以及像保險(xiǎn)絲等容易更換元件的底板。


一種用于高可用性系統(tǒng)的常見冗余電源分配架構(gòu)


  這種系統(tǒng)通過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、使電容過載以及通過產(chǎn)生EMI來干擾數(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多的功率,則熱插拔電路還能先斷開模塊電源,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。


給四個(gè)容性負(fù)載加電的可控電壓斜率熱插拔控制器


  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、電流過高的模塊從電源總線上斷開時(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,并能在輸入超過最大安全工作電壓時(shí),通過將負(fù)載從電源總線上斷開來幫助控制浪涌。但最嚴(yán)重的浪涌對(duì)于大多數(shù)堅(jiān)固的熱插拔電路來說仍是一個(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,其中一些通過將浪涌電流限制在I=CLOADdV/dt上來控制負(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/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)載電流超過預(yù)編最大值時(shí),IC會(huì)將負(fù)載斷開。如果在負(fù)載接通期間出現(xiàn)過電流,則由過電流所產(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完全打開后出現(xiàn)過電流,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啟動(dòng)點(diǎn),從而迫使電路關(guān)斷。無論何種負(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)

能在峰值性能上工作而不會(huì)給器件增加過大壓力。熱插拔電路中的定時(shí)器允許進(jìn)行可控及短暫的高電流猝發(fā),并在持續(xù)存在高負(fù)載電流時(shí)將負(fù)載斷開。


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


  在某些情況下,系統(tǒng)噪聲問題要求將負(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、并通過用一個(gè)電容來控制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)間超過預(yù)編最大值時(shí)將負(fù)載斷開,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環(huán)電流來設(shè)置斜率(圖4)。


可控電壓斜率實(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環(huán)電流來設(shè)置斜率


  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)過沖并過早地啟動(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。


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


  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)恒定電流來驅(qū)動(dòng)功率FET,并依靠柵-漏電容來控制負(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)載過電流、設(shè)置一個(gè)故障門限并斷開負(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)過此起始開機(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,您可以通過給LCA輸入增加一個(gè)電容來減小開機(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。 

 

 

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