在電信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱插拔電源的設(shè)計(jì)方法

    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。

　　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，長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。

　　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（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。