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高可靠性分散供電板級(jí)解決方案

作者:謝兵,楊鎮(zhèn)西,丁有志,康東明 時(shí)間:2003-06-13 來源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用 收藏
摘 要: 本文介紹了一種能夠提供、、、、EMC以及自斷電功能的高可靠性板級(jí)解決方案。

關(guān)鍵詞:;;;;

引言

在當(dāng)前電信系統(tǒng)中存在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(diǎn),同時(shí)分散供電要求各功能板必須獨(dú)立提供高可靠性的電源設(shè)計(jì)。

電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖1 雙電源分散供電實(shí)現(xiàn)方案

由于通信系統(tǒng)一般同時(shí)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(shí)現(xiàn)高可靠性的電源設(shè)計(jì),電路具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

過流保護(hù)器件串聯(lián)在-48V電源的入口處,當(dāng)輸入電流超過保護(hù)器件的額定值時(shí),保護(hù)器件發(fā)生作用,切斷-48V電源輸入。通常有兩類過流保護(hù)器件可供選擇:
PTC(聚合物正溫度系數(shù))可復(fù)位保險(xiǎn)絲;
普通融斷式保險(xiǎn)絲。
PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲的工作原理是:在過流情況下增大自身電阻來保護(hù)電路免受損害,一旦電流恢復(fù)正常,能自動(dòng)恢復(fù)到正常低阻值。PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲的優(yōu)點(diǎn)是可自動(dòng)復(fù)位,缺點(diǎn)是感應(yīng)速度比普通保險(xiǎn)絲要慢得多,而這一點(diǎn)對(duì)保護(hù)電路中異常敏感的部份特別關(guān)鍵。另一方面,功率密度要比普通融斷式保險(xiǎn)絲小的多,通常體積較大,這對(duì)于高密度功能板的布局是不利的。普通保險(xiǎn)絲則靠熔斷來中斷電流。其優(yōu)點(diǎn)是體積小,反應(yīng)速度快。
過流保護(hù)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。

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(dāng)輸入電壓Vi超過-100V時(shí),F(xiàn)1迅速發(fā)生作用,將Vi抑制在-100V附近。

為了防止Vi接反時(shí)損壞器件,利用二極管D1單向?qū)ㄌ匦裕浜线^流保護(hù)構(gòu)成極性保護(hù)電路。在輸入電壓接反時(shí),D1迅速導(dǎo)通,保險(xiǎn)絲F1啟動(dòng)過流保護(hù)功能,從而避免了除F1以外器件的損壞。D1可以采用1N5404。

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(dāng)其插入正在工作的系統(tǒng)時(shí),會(huì)在本板的電源輸入端產(chǎn)生沖擊電流。在接插件上會(huì)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(dòng)作或者復(fù)位,甚至使系統(tǒng)停止工作,同時(shí)長時(shí)間的沖擊電流會(huì)使快速保險(xiǎn)絲熔斷。采用軟啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。
圖1中的軟啟動(dòng)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(yīng)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(duì) C8的充 電,Q1的柵極電壓慢慢上升,Q1的導(dǎo)通電阻會(huì)逐漸減小,當(dāng)Q1柵極電壓上升到一定值時(shí)(4.5~12V),Q1處于完全導(dǎo)通狀態(tài),這時(shí),Q1的導(dǎo)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(dòng)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(shí)通過改變C8的電容值可以改變充電的速度,來控制軟啟動(dòng)的時(shí)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(dǎo)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(dǎo)噪聲需要在電源的輸入端加濾波器,因此電源的EMC設(shè)計(jì)主要考慮傳導(dǎo)噪聲。電源濾波器既可濾除外部傳導(dǎo)噪聲,也濾除電源模塊產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲,從而防止其干擾其他設(shè)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(hù)的需要,要求在風(fēng)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(dòng)退出服務(wù)。主動(dòng)退出服務(wù)由功能板的自斷電功能來實(shí)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(yuǎn)程控制端。當(dāng)PWROFF為高時(shí),三極管Q4導(dǎo)通,隨后SRC1導(dǎo)通, Q3、Q2依次導(dǎo)通進(jìn)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(yuǎn)程關(guān)電條件,電源模塊關(guān)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(dǎo)通,Q2、Q3仍然保持飽和狀態(tài)。重新啟動(dòng)時(shí)只需按下啟動(dòng)開關(guān)CK8125,此時(shí)無電流流過SCR1檢測端,SCR1重新進(jìn)入截止?fàn)顟B(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(shí)誤斷電,可以利用上電復(fù)位芯片控制PWROFF在上電時(shí)為高阻。由于SCR1的柵極對(duì)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(gè)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(gè)特點(diǎn)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(dòng)波形

圖3 有、無軟啟動(dòng)時(shí)的-48V總線波形

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

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

參考文獻(xiàn)
1 C.H.Goh. 下一代產(chǎn)品所需的過流和過壓電路保護(hù). Littelfuse公司.
2 PPTC保護(hù)器件在電源轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用. 泰科電子.
3 白同云,呂曉德. 電兼容設(shè)計(jì).北京郵電大學(xué)出版社.2001.03





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