| 圖10 帶有功率限制控制器+48V電信熱交換 | 圖11采應(yīng)功率限制型交換控制器實(shí)驗(yàn)結(jié)果 |
中的電流和電壓控制和故障保護(hù)。圖 12 中的示意圖顯示了使用所有三種熱交換控制器
的理想加電性能。
以上各示意圖顯示了加電電流（突入電流）、輸出電壓、通道 FET 漏源壓差和 FET SOA 曲線對(duì)應(yīng)的 FET 工作范圍。以上 FET 運(yùn)行曲線代表較大輸出電容的情況,這樣加電時(shí)會(huì)達(dá)到電流限制,這也是為什么需要熱交換控制的主要原因之一。
在故障條件下,上述三種控制方法的性能有所不同。舉例而言,如果通道晶體管的輸出完全接地短路（hot-shorted to ground）,圖 13 給出了三種熱交換控制在這種情況下的性能比較,但不考慮故障超時(shí)或其他保護(hù)電路的情況。
SOA 示意圖上的點(diǎn)代表輸出完全接地短路時(shí)的 FET 的運(yùn)行點(diǎn)。在這種情況下,dV/dt 和dI/dt 控制的電流限制必須降低,抑或需要采取其他保護(hù)措施才能保證FET的安全運(yùn)行。常用的保護(hù)方法是超時(shí)功能,幾乎所有的熱交換控制器都提供這一保護(hù)功能。該方法采用計(jì)時(shí)器電路,當(dāng)感知故障時(shí)就開始計(jì)時(shí)。一旦達(dá)到了預(yù)定義的時(shí)間限制,控制器就會(huì)關(guān)閉 FET,從而避免 FET 過熱或損壞。舉例而言,在圖 13 所示的操作狀態(tài)基礎(chǔ)上,dV/dt 和 dI/dt 控制的超時(shí)限制應(yīng)當(dāng)小于 1ms,但就功率限制控制而言,限制值可以高于10ms。較長(zhǎng)的超時(shí)時(shí)段的好處在于,即便負(fù)載瞬變較大也能保證不斷電。這就 ±48V 網(wǎng)絡(luò)電源應(yīng)用而言是非常重要的, 因?yàn)闀簳r(shí)瞬變就關(guān)閉系統(tǒng)的做法是不可取的。
由于功率限制能夠保證FET不超出SOA的范圍,且只需電阻分壓器就可以設(shè)置限制,因此設(shè)計(jì)功率限制熱交換功率級(jí)是非常簡(jiǎn)單的。dV/dt 控制設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。但是,取決于負(fù)載電容的峰值突入電流和超時(shí)限制會(huì)使設(shè)計(jì)工作變得稍顯困難。較之于電壓線性控制方法而言,dI/dt 控制的電路設(shè)計(jì)和組件選擇要更為復(fù)雜,特別是當(dāng)需要的 dI/dt 線性上升速度超過一個(gè)時(shí)更是如此。不過,這種復(fù)雜性也為開發(fā)可靠的熱交換解決方案提供了靈活性,適用于具備未知電容負(fù)載或較大電容負(fù)載的系統(tǒng)。
相對(duì)于電壓線性式控制器器件而言,功率限制和dI/dt控制對(duì)整個(gè)背板（上行電源）的電壓下降影響較小,這是由于其較低的 dI/dt 速度使然。dV/dt 控制在插入或開通時(shí)可能產(chǎn)生較大的突入電流。該突入電流可能造成整個(gè)背板的電壓下降。根據(jù)電流階躍幅度、電源輸出阻抗、電源分布阻抗、熱插入卡輸入阻抗以及系統(tǒng)其他部分的電壓偏移靈敏度,總系統(tǒng)功能可能因插入dV/dt 控制卡而受影響。如果背板的總電容足夠大,那么突入電流造成
| 圖 12 dV/dt .dI /dt和功率限制控制三者之間的加電比較 |
的電壓下降可能較小,但這會(huì)給系統(tǒng)增加更多成本。
dI/dt控制的另一優(yōu)勢(shì)在于線性電流的諧波含量低于電壓斜線設(shè)備的階躍電流,特別在更高頻率下更是如此;因此,dI /dt控制型方法的功率分配所生成的噪音要低于dV/dt控制型方法。階躍電流生成的噪音可能影響系統(tǒng)的其他部分,這取決于其他系統(tǒng)元素的敏感度。
| 圖 13 完全短路(hat--short)情況dV/dt .dI /dt和功率限制控制的性能 |
不過,上述所有三種熱交換控制技術(shù)在各種電信系統(tǒng)中都有應(yīng)用。功率限制控制適應(yīng)于很多電信熱交換應(yīng)用,這是由于其改善了熱交換的安全性使然。dI/dt 控制可用于某些加電時(shí)需要線性上升電流的特定應(yīng)用,而dV/dt控制則適用于要求電壓線性上升的負(fù)載。
我們?cè)谙旅娴牟糠种袑⒔o出新興電信應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例,來了解一個(gè)簡(jiǎn)單的48V電信系統(tǒng)熱交換設(shè)計(jì)。
一個(gè)可行的以太網(wǎng)加電情況下的熱交換應(yīng)用
通過以太網(wǎng)加電(POE)是一種新興的 48V 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。POE 是由 IEEE 提出的用于控制以太網(wǎng)加電和斷電的協(xié)議。但是,由于某些條件所限,設(shè)計(jì)人員必須采用熱交換控制技術(shù)。舉例而言,快速的斷開并再連接就會(huì)形成一個(gè) 48V 熱交換環(huán)境。
圖14顯示了通過以太網(wǎng)加電的典型終點(diǎn)電源插入配置。由于要進(jìn)行高壓插拔,因此在驅(qū)動(dòng)器件 (PD) 端需要進(jìn)行熱交換控制,以管理突入電流并保護(hù)導(dǎo)通元件。如圖所示,德州儀器公司推出的 PD 器件 TPS2370 是一個(gè) dV/dt 型 -48V 熱交換電源管理器。由于通道 FET 集成在該器件中,因此內(nèi)部電流限制和熱保護(hù)能夠保證 FET 的安全操作。供電設(shè)備 (PSE) 端使用 TPS2383（也由德州儀器公司推出）,管理從 PSE 電源到多達(dá) 8 個(gè)的 PD 的電源分配。PSE 設(shè)備還實(shí)現(xiàn)電流限制,這樣,如果插入了錯(cuò)誤 PD 的話,PSE電源能夠得到保護(hù)。
由于POE 要求PD在一定時(shí)間范圍內(nèi)完成加電, dV/dt 控制滿足這一需求,因?yàn)樗与娚仙乃俣瓤煊赿I/dt 和功率限制型控制。TPS2370 器件還實(shí)施可調(diào)整的突入電流限制特性,因此加電上升時(shí)間即便在負(fù)載電容很大的情況下也可控制在要求范圍內(nèi)。 結(jié)論
由于在網(wǎng)絡(luò)中采用 ±48V電源,因此熱交換控制對(duì)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)不發(fā)生中斷或故障并減小總系統(tǒng)成本而言是至關(guān)重要的。三種不同的控制（包括斜線性電壓上升控制、斜線性電流上升控制以及功率限制控制）都在目前的熱交換控制器中得以采用。正如我們已經(jīng)指出的那樣,各種可用的選項(xiàng)之間存在性能差別。設(shè)計(jì)人員必須考慮到上述差別,加以平衡選取,從而確定針對(duì)其特定應(yīng)用而言應(yīng)采用哪種最佳方法。
圖14 通過以太網(wǎng)加電的配置
