利用熱插拔和“或”邏輯控制器構建高可靠性的通信設備系統
發布時間：2014-12-17 09:36
發布者：designapp
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通信設備通常采用多線卡﹑背板架構。在背板上有多個卡槽，線卡插接在這些卡槽里。線卡承載業務，背板提供系統數據總線和電源總線。線卡通過背板上的總線實現互聯以及與主控板的通訊。整個設備一旦上電，就必須持續工作，不能下電。在整個設備運行的過程中，線卡可能需要維修﹑升級﹑配置或者是擴容。這就需要在背板帶電的情況下將線卡拔出/插入，整個過程中系統不能下電。為了可靠的實現這一帶電插拔過程，控制對背板電源總線的沖擊，通常使用熱插拔電路。為了進一步提高系統的可靠性，通信設備還會采用電源備份架構。當主電源損壞后，備份電源會及時切入，以確保設備的正常運轉。 “或”邏輯控制電路就是用來實現這一電源切換的功能。熱插拔電路和“或”邏輯控制電路為通信設備這類的多線卡﹑背板設備，提供了高可靠性的解決方案。 熱插拔的基本原理 線卡的電源入口側通常都有幾百微法拉~幾千微法拉的電容，用于電源濾波和儲能。當整個系統工作時，插在背板上的線卡，其入口側電容都是充滿的。當將另外一塊線卡插入正在運行中的背板上時，這些無電荷的電容會被充電。因為線卡和背板金屬件的接觸在極短的時間內發生，線卡的入口電容容值又較高，充電電流可以很大，如圖1所示。 圖1. 插入線卡時的電流流向 圖1中，當3號線卡插入時，C4被快速充電，一部分充電電流來自C1﹑C2，還有一些充電電流來由電源模塊�；谙到y設計的不同，充電電流可以在很短的時間內，達到幾百安培的水平。 這一電流沖擊可能造成背板總線電壓的跌落，進而導致系統復位。這一不受控的電流沖擊過程還可能造成系統的損壞，例如：損壞濾波電容，PCB走線，背板連接器。 應對這一現象的最好方法就是使用熱插拔控制器，來控制插拔過程中沖擊電流的峰值。 備份電源 高可靠性的通訊系統，常常應用備份電源架構來提高系統的可靠性。當主電源工作異�；蚴r，備份電源會及時切入，維持系統運轉。在該架構中，常用的方法是使用一對二極管來構建電源的“或”邏輯，連接在主/備電源和負載之間。該電路的缺點是二極管的正向導通電壓較高，二極管上有較高的損耗�！盎颉边壿嬁刂破骶褪怯脕砟７露䴓O管的電特性，同時降低整個系統的損耗。 【分頁導航】 第1頁：熱插拔的基本原理 第2頁：熱插拔功能 第3頁：“或”邏輯控制器 使用雙通道熱插拔、“或”邏輯控制器 低壓差“或”邏輯開關控制器獨立地控制每個通道的背靠背nMOSFET，實現熱插拔和“或”邏輯控制�？刂破鲀戎盟膫�MOSFET 驅動器(GATE1_和GATE2_)，GATE1_ 控制外部n溝道功率MOSFET實現“或”邏輯，防止主/備電源間的電流流動或OUT到IN間的電流倒灌；GATE2_控制外部n溝道功率MOSFET實現熱插拔功能。通路上的精密電阻，用于電流采樣。 熱插拔功能 開關控制器(這里的MAX5944)實時監控采樣電阻RSENSE兩端的電壓，調整沖擊電流的大小來保證VIS在限流門限電壓VTH以下，見圖2。 圖2. MAX5944“或”邏輯開關控制器通過實時監測RSENSE兩端電壓限制沖擊電流 限流門限電壓VTH為固定值，通過改變采樣電阻的值來設定每個通道的限流值，ILIMIT_ = VTH /RSENSE_. 當負載電流小于限定值(ILIMIT)時, GATE2_ 上升到VGS=5.5V將Q2_完全導通。當負載電流超過限定值(ILIMIT)時，MAX5944會將GATE2_ 拉低，降低流過Q2_的電流，將其限定在限流值ILIMIT。這時輸出OUT_的表現類似于恒流源。 圖3所示，通道1 (ch1)為負載電壓，通道3 (ch3)為GATE2_的柵壓，通道4 (ch4)為插拔過程中的沖擊電流。負載電流2A，負載電容220uF。如圖所示，在線卡插入后，沖擊電流快速上升，最終被限定在限流值。 圖3. 插入未充電背板 【分頁導航】 第1頁：熱插拔的基本原理 第2頁：熱插拔功能 第3頁：“或”邏輯控制器 “或”邏輯控制器 INA 和INB分別連接至主﹑備電源。當一個電源發生故障時，MAX5944 會自動﹑平順的將備用電源接入。GATE1_ 控制MAX5944 “或”邏輯功能。最初， GATE1_關閉，負載電流流過Q1_的寄生二極管, 見圖2。當VIS電壓超過5mV（“或”邏輯開啟的門限電壓），GATE1_ 電壓上升，并超過SENSE_ 電壓5.5V，開啟Q1_。 圖4是備份電源切入的一個示例。Ch1為負載電壓，Ch2為GATE1_A 的電壓波形。電源A連接在INA，電源B連接在INB。電源A的正常工作電壓高于電源B的正常工作電壓。即INA管腳的電壓VINA高于INB 管腳的電壓VINB。顯然，在本例中電源A為主電源，電源B為備份電源。當電源A故障時，INA管腳的電壓VINA跌落。VIS 電壓跌落至“或”邏輯開啟的門限電壓以下。MAX5944立刻關斷Q1A，阻斷來自負載的倒灌電流。由于Q1A關斷，負載電容上的電壓OUTA/B，在負載電流的作用下跌落。當負載電壓OUTA/B低于INB 管腳的電壓VINB時，電源B開始為負載供電。整個過程中，MAX5944自動偵測主電源的電壓跌落，平順的切換至備用電源。 圖4. VINA 跌落, MAX5944 自動切入備份電源 結論 對于采用多線卡﹑背板架構的通信設備，熱插拔是保證系統可靠運行的必要功能。結合“或”邏輯控制的主﹑備電源架構，則進一步的提升了系統可靠性。MAX5944集成了雙通道的熱插拔控制電路，和“或”邏輯控制電路。 【分頁導航】 第1頁：熱插拔的基本原理 第2頁：熱插拔功能 第3頁：“或”邏輯控制器 |
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