高可靠性分散供電板級解決方案

2021-01-21 電子產品世界

摘 要： 本文介紹了一種能夠提供過流保護、過壓保護、極性保護、軟啟動、EMC以及自斷電功能的高可靠性分散供電板級解決方案。

關鍵詞：分散供電；過流保護；過壓保護；極性保護；軟啟動

引言

在當前電信系統中存在分散供電與集中供電兩種解決方案。在分散供電系統中直接給各功能板提供-48V電源，然後由功能板上的DC/DC電源模塊產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範圍寬，效率高，功率損耗密度小，節省板位等優點，同時分散供電要求各功能板必須獨立提供高可靠性的電源設計。

電路設計與實現

圖1 雙電源分散供電實現方案

由於通信系統一般同時需要多種電源，故本方案以Ericsson的-48V轉+5V模塊PKN4510和-48V轉+3.3V模塊PKF4211為例，來說明如何實現高可靠性的電源設計，電路具體實現如圖1所示。
過流保護
過流保護器件串聯在-48V電源的入口處，當輸入電流超過保護器件的額定值時，保護器件發生作用，切斷-48V電源輸入。通常有兩類過流保護器件可供選擇：
PTC(聚合物正溫度係數)可復位保險絲；
普通融斷式保險絲。
PTC可復位保險絲的工作原理是：在過流情況下增大自身電阻來保護電路免受損害，一旦電流恢復正常，能自動恢復到正常低阻值。PTC可復位保險絲的優點是可自動復位，缺點是感應速度比普通保險絲要慢得多，而這一點對保護電路中異常敏感的部份特別關鍵。另一方面，功率密度要比普通融斷式保險絲小的多，通常體積較大，這對於高密度功能板的布局是不利的。普通保險絲則靠熔斷來中斷電流。其優點是體積小，反應速度快。
過流保護器件類型可以根據具體需求來確定，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。
過壓保護
電源模塊的正常輸入工作電壓範圍為-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。當輸入電壓Vi超過-100V時，F1迅速發生作用，將Vi抑制在-100V附近。
極性保護
為了防止Vi接反時損壞器件，利用二極體D1單向導通特性，配合過流保護構成極性保護電路。在輸入電壓接反時，D1迅速導通，保險絲F1啟動過流保護功能，從而避免了除F1以外器件的損壞。D1可以採用1N5404。
軟啟動
在通信系統中為了提高系統的可靠性，要求功能板支持熱插拔。如果一塊功能板不支持熱插拔，當其插入正在工作的系統時，會在本板的電源輸入端產生衝擊電流。在接插件上會出現打火，甚至可能使系統背板電壓總線上的電壓跌落，從而使系統誤動作或者復位，甚至使系統停止工作，同時長時間的衝擊電流會使快速保險絲熔斷。採用軟啟動可以實現熱插拔功能。
圖1中的軟啟動功能由R3，R4，C8，ZD，Q1組成。在上電瞬間，電容C8上的電壓為0V，場效應管Q1處於截至狀態，輸入電流經過 R4 給 C8充 電，充電瞬間最大電流為 Vi/R4；隨著輸入電壓對 C8的充 電，Q1的柵極電壓慢慢上升，Q1的導通電阻會逐漸減小，當Q1柵極電壓上升到一定值時(4.5~12V)，Q1處於完全導通狀態，這時，Q1的導通電阻很小，一般只有幾十毫歐，這樣就避免了在Q1上產生較大的功率損耗。ZD為齊納二極體，防止Q1的柵源極電壓過高損壞Q1。
Q1取為IRF公司的IRFL110，由於Q1所需的驅動電流非常小，所以，R4和R3可選大電阻值，一般：R4為300K，R2為100K。同時通過改變C8的電容值可以改變充電的速度，來控制軟啟動的時間。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電源模塊可以產生傳導噪聲和輻射噪聲。輻射噪聲可以靠電源模塊和系統屏蔽解決，傳導噪聲需要在電源的輸入端加濾波器，因此電源的EMC設計主要考慮傳導噪聲。電源濾波器既可濾除外部傳導噪聲，也濾除電源模塊產生的傳導噪聲，從而防止其幹擾其他設備。常用的濾波器有兩種：π型濾波器和共模型濾波器。
圖1中採用共模型濾波器，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
通信系統常常出於系統保護的需要，要求在風扇工作異常、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退出服務。主動退出服務由功能板的自斷電功能來實現。
自斷電功能由圖1中的光藕可控矽SCR1，三極體Q2、Q3、Q4等組成。該功能利用了電源模塊的遠程控制端。當PWROFF為高時，三極體Q4導通，隨後SRC1導通， Q3、Q2依次導通進入飽和狀態，從而使得電源模塊PKN4510的RC控制腳與+IN引腳之間的電壓小於1V，PKF4211的RC控制腳與-IN引腳之間的電壓小於1V，滿足兩種電源模塊各自的遠程關電條件，電源模塊關閉。斷電後PWROFF無效，Q4截止，但通過SCR1檢測端的電流能夠維持其導通，Q2、Q3仍然保持飽和狀態。重新啟動時只需按下啟動開關CK8125，此時無電流流過SCR1檢測端，SCR1重新進入截止狀態，隨後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誤斷電，可以利用上電復位晶片控制PWROFF在上電時為高阻。由於SCR1的柵極對幹擾非常敏感，在其柵極並聯R12和C14。另外，為了增加抗幹擾性能，還可分別在Q2、Q3的基極間並聯1個小電容。
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將滯後於5V。利用這個特點可以根據需要確定上電順序。
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 軟啟動波形

圖3 有、無軟啟動時的-48V總線波形

測試結果
圖2是以-48V電壓為參考點所測得的軟啟動波形。如圖所示，在Start點，-48V電壓加到電路上，當Q1的柵極電壓上升到A點(約3V)時，Q1開始導通，漏極電壓開始緩慢下降；當柵極電壓持續上升到B點(約4.5V)時，Q1完全導通，漏極電壓達到-48V。從圖中可以看出，從Q1開始導通到完全導通，整個過程大約需要19.2ms。
圖3是有、無軟啟動時，功能板插入背板時-48V電源總線的波形。有軟啟動時，-48V總線幹擾的峰值最大為3.6V左右, 時間持續約200ns；無軟啟動時，-48V總線幹擾的峰值最大 11.4V左右，時間持續約1ms。由此可見，軟啟動既降低了幹擾幅度，又減少了幹擾時間。

結語
本文介紹的分散供電板級解決方案已成功地在實際通信系統中大量應用，充分驗證了該方案具有極高的可靠性。

參考文獻
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