通信系統(tǒng)中二次電源電路的濾波與緩啟原理

本文主要論述了二次電源系統(tǒng)中－48V電路經(jīng)DC/DC變換3.3V模塊中的濾波、保護(hù)電路，以及在采用電源熱備份集中供電系統(tǒng)中，拔插采用3.3V電源的單板時(shí)抑止浪涌電流的電源緩啟電路。

引言

現(xiàn)代集成電路工藝已進(jìn)入亞微米階段，數(shù)字信號(hào)的上升/下降時(shí)間普遍為亞納秒量級(jí)，這使高速數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。晶體管尺寸越來(lái)越小，使得其工作電壓越來(lái)越低，同時(shí)時(shí)鐘頻率不斷上升，微處理器(CPU)和各種專用芯片（ASIC）集成的功能越來(lái)越多，其消耗的功率也越來(lái)越大，這對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。

在通信系統(tǒng)設(shè)備中，電源的設(shè)計(jì)通常分一次電源和二次電源兩部分，一次電源系統(tǒng)的輸入是50Hz交流電，電壓根據(jù)國(guó)家不同分220V和110V兩種，輸出通常為－48V。二次電源通常指從－48V或－24V轉(zhuǎn)換成5V、3.3V等低電壓以及從低壓到低壓的轉(zhuǎn)換電源。

在采用集中供電的二次電源系統(tǒng)中，板卡插入主機(jī)時(shí)，主機(jī)已經(jīng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，所有容性負(fù)載均已充電。待插的板卡是不帶電的，板卡上的容性負(fù)載沒(méi)有充電。在熱插入過(guò)程中，待插板卡上的電容瞬間充電。充電過(guò)程將在插入的瞬間從系統(tǒng)電源吸納大量的電流，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓瞬間跌落，影響其它板卡的正常運(yùn)行。在電源線接觸的瞬間，系統(tǒng)電源的輸出電阻和待插板卡的電容組成RC充電通道，由于電源的輸出電阻很小，浪涌電流非常大。在拔出板卡的過(guò)程中，板卡上的旁路電容放電，和背板之間形成一個(gè)低阻通道，也會(huì)產(chǎn)生瞬間大電流。浪涌電流攜帶大量的能量，會(huì)毀壞接口器件、連接器和金屬連線。為了防止上述情況發(fā)生，所以要對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行必要的保護(hù)性設(shè)計(jì)。

1 二次電源的濾波保護(hù)

對(duì)于采用－48V輸入電壓供電的系統(tǒng)中，各單板的輸入電路的濾波和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)一般要遵循的原則是：滿足相關(guān)的可靠性和電磁兼容技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以參考公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際通行的標(biāo)準(zhǔn)。通常應(yīng)用如圖1所示的電路。

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圖1 典型－48V電源輸入濾波保護(hù)電路

輸入保護(hù)電路一般分防雷擊保護(hù)和輸入電壓反接保護(hù)，D1為單極性瞬態(tài)抑制二極管，插件封裝的推薦型號(hào)為1.5KE68A，D2為輸入電壓防反接二極管，插件封裝的推薦型號(hào)為SB560，D2也可以用保險(xiǎn)絲替代，在單板總功率大于50W時(shí)，考慮D2的功率耗散建議使用保險(xiǎn)絲。

濾波電路由一級(jí)π形濾波器和一級(jí)共模濾波器組成，C2、C3為鋁電解電容，電壓大于100V，建議使用105℃工作范圍的，容量在47～470μF，C1、C4為高頻濾波電容，推薦使用X7R材質(zhì)的瓷片電容，或聚酯薄膜電容，容量0.47～1.5μF，耐壓大于63V。L1選用電感量在100～300μH之間，工作電流根據(jù)單板總功率確定，考慮電感的飽和因素，最好按50％降額。L2選取電感量在100～300μH之間，注意這個(gè)電感要采用間繞方式，減少線間電容，電流選取同L1，C6為輻射噪聲抑制電容，選用時(shí)注意耐壓大于500V，容量大于1000pF。C7、C8為輸出濾波電容，C7選用鉭電容，輸出5V時(shí)選用耐壓10V的，輸出3.3V時(shí)選用耐壓6.3V的，容量均在220μF以上，C8建議選用高頻瓷片電容，容量在10～22μF之間，耐壓一般大于6.3V即可。

圖2及圖3中輸出電壓分別為3.3V和1.5V時(shí)電源紋波大小分別為48.8mV和41.2mV，可以看到電源輸入濾波保護(hù)電路效果明顯。

圖2 輸出電壓3.3V時(shí)的紋波

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圖3 輸出電壓1.5V時(shí)的紋波

2 電源的緩啟保護(hù)

2.1 緩啟保護(hù)電路的原理

從上面的分析可知，解決帶電插拔不利影響的根本措施是減少浪涌電流，浪涌電流是由于待插板卡的容性負(fù)載在上電瞬間充電引起的。由公式I=Cdv/dt可知，上電時(shí)間直接決定了浪涌電流的大小。在一般的帶電插拔過(guò)程中，充電電壓相當(dāng)于一個(gè)階躍激勵(lì)，dv/dt極大。我們知道在采用

RC充電回路中，電容的充電時(shí)間可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變R和C值來(lái)設(shè)定，如果利用這個(gè)漸變的電壓控制一個(gè)在一定電壓下導(dǎo)通的MOS管，就可以非常有效地減少浪涌電流的值，從而最大程度地減少帶電插拔帶來(lái)的負(fù)面影響。

2.2 緩啟保護(hù)電路

下面我們?cè)敿?xì)介紹緩啟電路的工作原理和電路中各個(gè)關(guān)鍵元器件參數(shù)之間的關(guān)系，為不同場(chǎng)合的實(shí)際應(yīng)用提供參考。圖4為實(shí)際中經(jīng)常使用的綜合緩啟電路。保險(xiǎn)絲F1限制最大電流，一般采用慢熔保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)絲的額定電流是板卡最大工作電流的2～3倍。R1、R2、C4和R3、R4、C5分別組成兩條RC充電回路給P溝道MOS管IRF7410提供柵極電壓。兩條不同的充電回路具有不同的RC充電時(shí)間，以滿足單板上不同上電順序的需要。R1、R2和R3、R4的作用是通過(guò)與接地電阻之間的分壓，直接給MOS管的柵級(jí)提供一個(gè)開(kāi)啟電壓，縮短了MOS管達(dá)到開(kāi)啟電壓的時(shí)間，在R2上并聯(lián)一個(gè)電容C3使得兩個(gè)緩起電路避開(kāi)同時(shí)達(dá)到MOS管的開(kāi)啟電壓，減少單板的開(kāi)關(guān)噪聲。

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圖4 3.3V電源緩啟保護(hù)電路

L1和L2對(duì)電源進(jìn)行電感濾波后通過(guò)MOS管提供給單板。濾波電感個(gè)數(shù)和IRF7410個(gè)數(shù)的選擇，取決于單板3.3V電源電流的大小，為了保持單板電路系統(tǒng)的穩(wěn)定，需要把濾波電感和緩啟電路引入的壓降控制在0.1V左右，其中電感的直流電阻是10mΩ，IRF7410的導(dǎo)通電阻是8mΩ，以單板3.3V功耗在30W左右的單板為例，電流達(dá)到了10A，那么必須把導(dǎo)通電阻控制在10mΩ以內(nèi)，考慮到器件的離散性，在留夠裕量后，電感采用用2個(gè)，IRF7410采用3～4個(gè)，實(shí)際使用中可以通過(guò)具體調(diào)試確定具體的數(shù)量。

在電感前面放置一個(gè)續(xù)流二極管D1，在系統(tǒng)斷電時(shí)給電感L1和L2所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一放電回路。0.1μF的瓷片電容和1μF的瓷片電容C1、C2，減少了單板內(nèi)的開(kāi)關(guān)噪聲干擾。在單板重負(fù)載時(shí)，可以適當(dāng)增加電容個(gè)數(shù)。C6、C7和C8、C9分別對(duì)輸出的電源再進(jìn)行一次濾波，使單板最終得到平滑穩(wěn)定的電源。

2.3 緩啟保護(hù)電路的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4中Q1和Q4的柵源級(jí)電壓分別為

Vgs1≈3.3（1）

Vgs2=3.3（2）

P溝道MOS管IRF7410的開(kāi)啟電壓Vgs大約為－0.9V，根據(jù)式（1）及式（2），電源緩啟回路導(dǎo)通時(shí)間t1≈0.815ms，t2≈40.9μs。如圖5和圖6所示，緩啟回路1的緩啟時(shí)間t1=1.36ms，緩啟回路2的緩啟時(shí)間t2=31.2μs。理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的誤差主要是因?yàn)楹雎噪娙軨3以及電阻值和IRF7410導(dǎo)通電壓的誤差所致，但是并不影響實(shí)際電路的使用。圖7所示為拔掉單板時(shí)輸出電壓波形圖，可以看出由于RC放電回路的存在，IRF7410管并不立即截止，單板不立即掉電，對(duì)單板電路也可起到一定的保護(hù)作用。

圖5 3.3VOut1緩啟過(guò)程

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圖6 3.3VOut2緩啟過(guò)程

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圖7 拔掉單板時(shí)3.3VOut1掉電過(guò)程

上述緩啟電路在實(shí)際使用過(guò)程中，可以根據(jù)單板的電源電壓，上電時(shí)序和上電時(shí)間要求，靈活選用不同的RC回路的電阻和電容和MOS管，在RC回路中設(shè)定不同的分壓比，達(dá)到對(duì)單板電源緩啟的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

安全穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)，在通信系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用。本文給出了在通信系統(tǒng)中的二次電源電路的DC/DC模塊前的濾波保護(hù)電路，以及采用集中供電方式中各個(gè)單板對(duì)輸入電源的緩啟電路。闡述了在實(shí)際設(shè)計(jì)使用中應(yīng)考慮的問(wèn)題，實(shí)際測(cè)量的結(jié)果符合預(yù)期的目標(biāo)。上述電路在通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.