机架式电源模块热插拔技术探讨

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1、机架式电源模块热插拔技术探讨俞利明郑煊杨振国浙江中控技术股份有限公司，杭州，310053摘要：本文详细地分析了24VDC/5VDC电源转换模块在冗余热插拔时冲击电压的产生原因，通过实验对产生原因进行了验证，提出了4种解决问题的方案及验证结果，对方案优劣进行了比较及排序。关键词：热插拔冲击电压缓启动验证Technologydiscussforrackpowermodulehot-swappingLimingYuXuanZhengZhenguoYangZhejiangSUPCONTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang310

2、053,ChinaAbstract：Thispaperanalyzereasonwhichcreateimpulsevoltagewhenhot-swappingredundancy24VDC/5VDCpowertransformmodule.Proofproblemcausethreadexperiment.Putforward4scenarioforresolveproblemandcarryoutproof.Carryoutscenariocomparedandsorting.Keywords：hot-swappingimpulsevoltage

3、slowstartproof前言当前的分散控制系统（DCS）中，系统电源大多为24VDC供电，在机笼或机架上通过24VDC/5VDC的电源模块实现控制站内各类模块的5V电压供电。为保证5V电源供电的高可靠性及高可用性，要求电源转换模块具备冗余配置及热插拔功能，当冗余模块在插入系统和拔出系统时不会影响系统正常工作。常见的DCS中5V电源配置方式如图1所示。图1电源配置示意图“冗余”、“热插拔”是DCS系统非常基础且重要的特性之一，是DCS系统硬件可靠性、可维护性的直接体现。因此，电源卡的热插拔是绝不允许出现电压较大起伏，更不允许剧烈冲击。浙江中控的JX-

4、300XP系统是当前中国应用套数最多的DCS（分散控制系统），以稳定和实用的特性赢得了广大客户的青睐。本文所提及的24VDC/5VDC电源转换模块（以下称电源转换模块）就是该系统的核心部件之一。在早期研制该部件过程中发现：若5V负载较轻时，对其中一个电源转换模块进行热插拔，5V输出端有时会出现高达20V的冲击电压，冲击电压的持续时间不等，一般为几十毫秒，最大可达几百毫秒，该冲击电压会造成机笼中的I/O卡件保险丝熔断、芯片损坏等严重故障。研发人员针对该热插拔的问题进行了详细的分析、总结和验证，并提出了相应的解决方案供读者分享。1热插拔问题技术分析1.1电

5、源转换模块设计方案电源转换模块选择LM5116作为其电源管理芯片。LM5116采用Buck型拓扑结构，在分析上述问题之前，有必要了解Buck拓扑电路的原理。1.1.1Buck电路的原理LM5116的Buck拓扑原理如图2所示图2Buck拓扑原理图2中，LM5116主要控制Q1、Q2两个MOS管的导通占空比来调节电压的转换比，其占空比由充电阶段和放电阶段决定，简述如下：1.充电阶段。在充电阶段开始时，LM5116打开Q1，关闭Q2，此时VIN对L1和C1组成的储能电路充电，当反馈网络检测到VOUT高于设定阈值时，控制电路进入放电阶段；2.放电阶段。当进入

6、放电阶段时，LM5116关闭Q1，打开Q2，此时L1和C1组成的储能电路对通过电路中负载放电，当LM5116的反馈网络检测到VOUT低于设定阈值时，控制电路又重新进入充电阶段。1.1电源转换模块的冗余配置问题当两块电源转换模块冗余配置时，两者有共同的输入端和输出端，且分布着很对的滤波电容和储能电容，如图3所示。但是在插拔的过程中，VIN、VOUT、以及GND并不是同时接触或同时断开，这就导致VOUT上的电平会受到冲击。图3接口关系图为研究问题根源，笔者使用共地双踪示波器进行验证。将CH1接在工作卡输出端的正负两端；CH2的正极接入备用卡的系统地，负极悬

7、空。当工作卡正常工作，插入备用卡，发现备用卡的系统地先于工作卡的输出端出现冲击电压，如Error!Referencesourcenotfound.所示。图4冲击波形通过上述实验可验证：由于冗余卡的系统地引脚接入系统较24V输入引脚晚，导致24V输入电压以工作卡的“GND”作为参考地，并利用电容的瞬间导通特性，直接串到“VOUT”输出端，从而损坏机笼中的I/O卡。图5冲击回流路径1热插拔技术改进方案要解决该类电源转换模块在热插拔中存在的问题，首先要解决模块插入系统时，各电源引脚存在的上电时序问题，只要能保证电源地能早于输入输出引脚接入系统，即可解决该问题

8、。根据该要求，笔者设计了四个方法以解决该问题，但各个方法的解决效果不一，下面分别对其进行介绍分