设计要求:
(1) 热插拔过程中,输出电压跌落满足要求,且系统上的模块不能出现OCP(在系统上只有一个模块的最恶劣情况下);
(2) 选用的热插拔电阻和二极管,在使用过程中满足降额要求;
(3) 在热插入完成后,插进去的模块的输出电压必须基本等于系统的输出电压;
热插拔电路如下图红圈内所示,由热插拔电阻和二极管组成。
1. 现有模块热插拔电路
我司和华为现有模块的热插拔电路选型情况如下:
模块 | 热插拔电阻 | 输出电容 | 热插拔时间常数 | 长短针差距 | 插入速度 | 热插拔时间 | 热插拔时间除以时间常数 | 热插拔完成时,电容充电比例 | 热插拔完成时,两端电容电压差(最高输出电压时) |
3KW模块1 | 1.6欧 | 1880uF | 3.008ms | 3.46mm | 1m/s | 3.46ms | 1.15 | 68.3% | 18.386V(58V) |
300KW模块2 | 1.35欧 | 1880uF | 2.538ms | 3.46mm | 1m/s | 3.46ms | 1.363 | 77.4% | 13.108V(58V) |
240V15KW模块 | 117欧 | 1900uF | 222.3ms | 4.4mm | // | 1s | 4.498 | 98.8% | 3.48V(290V) |
华为336 | 40欧 | 880uF | 35.2ms | 10.6mm | // | 1s | 94.34 | 100% | 0 |
从上面的分析可知,在热插拔完成时,华为模块的电压完全等于输出电压,这是最好的效果;因此,这里要求热插拔时间常数为热插拔时间的1/5以下。在为1/5时,热插拔完成时,电容充电比例为99.3%,热插拔完成时,两端电容的电压差为2.03V(290V输出电压时)。
240V25KW模块的热插拔最短时间为1s,输出电容为2420uF。根据上述要求,则热插拔电阻的阻值不能大于82.625欧。
另外,由于在热插拔完成时,两个模块之间的输出电压基本相等,则输出电容充电的能量,基本等于热插拔电阻消耗的能量。则热插拔电阻在1s时间内,消耗的平均功率为:
1/2*C*U^2/1s = 101.761W
所选电阻的最大瞬态功率,要求不能低于290^2/82.625=1018W
2. 确定热插拔电阻阻值的下限
240V25KW模块规格书对热插拔有下面的要求:
下面进行240V25KW模块的仿真建模,以系统只有一个模块,输出电压为267.5V,带满载的情况时,插入另外一个模块,输出电压跌至不低于200V为标准,得出热插拔电阻的最小值要求。
仿真模型如下,将交错LLC简化为1路LLC,在20ms时进行热插拔。
在热插拔电阻取值为1欧时,仿真结果如下:
图中,Vout为系统上的输出电压,isense为流过热插拔电阻的电流。
改为0.6欧,结果如下:
在热插拔电阻不低于0.6欧时,系统电压不会在热插拔时低于200V。
另外,热插拔时存在的另外一个问题是模块误报过流的问题。
在热插拔电阻为5欧时,
图中,Vout为系统上的电压,isense为流过热插拔电阻的电流,i(LI6)为原边谐振电感上的电流。
此时,模块正常运行时,原边最大电流为124.42A,热插拔时原边最大电流为189.11A,为正常运行时电流为1.52倍。
热插拔电阻为7欧时:
热插拔时的原边最大电流为168.39A,为正常运行时的1.35倍。在此种情况下,原边电流比较安全,热插拔时模块不会出现OCP的情况。
因此,热插拔电阻初步选型的要求如下:
总阻值范围为:7欧-82.625欧之间
1s内的总平均功率不得低于:101.761W
总的瞬态功率不得低于1018W,瞬态功率最大值取决于所选电阻的阻值。
初步想采用15k现有的热插拔电阻进行组合,来做热插拔电路。15k的热插拔电阻为:
线绕电阻器-5W-39Ω-±5%-paint-Axial 小型化
其瞬态功率曲线如下:
从图中可知,其瞬态最大功率为为10000*5=50000W ,1s的平均瞬态功率为25*5=125W,单个电阻阻值为39欧。阻值、瞬态最大功率和1s平均功率都满足要求。公众号@电路一点通
因此,初步选型为:1个39欧/5W的绕线电阻。
热插拔电路详细设计
下面对热插拔电阻整个热插拔过程中的瞬态功率进行仿真。由于整个热插拔过程中,输出电压跌幅不大,可建模如下,采用定步长0.01us进行仿真。
对仿真结果在EXCEL表里面进行处理,如下:
发现瞬态功率不能达标。
因此,采用2个电阻串联,总阻值为78欧,仿真并计算,得出单个电阻的瞬态功率如下:
这个过程中,实际瞬态功率曲线都在电阻的瞬态功率曲线规格以下,满足要求。
因此,热插拔电阻的阻值选型为:
描述 | 单价 | 用量 | |
热插拔电阻 | 线绕电阻器-5W-39Ω-±5%-paint-Axial 小型化 | 1.538 | 2PCS |
二极管 | 整流二极管/600V/3A/267-03- | 0.22 | 2PCS |
采用水泥电阻做热插拔的选型
华为模块采用的是水泥电阻来做热插拔,采用的电阻型号是:RX911-1-5W20ΩJ,单价0.85元。我司有一个类似的水泥电阻,为RX911N-5W-20欧-±5%,单价为0.344元。相对于上面的绕线电阻器,有成本优势。
厂家提供了RX911-1-5W20ΩJ的瞬态功率曲线,如下:
仿真参数设置如下:
电阻 | 输出电压 | 输出电容 | |
方案1 | RX911-1-5W20ΩJ,2串,共40欧 | 400V | 880uF |
方案2 | RX911-1-5W20ΩJ,3串,共60欧 | 290V | 2420uF |
方案3 | RX911-1-5W20ΩJ,2串,共40欧 | 290V | 2420uF |
仿真结果如下:
从仿真结果可见,华为在实际使用过程中,该电阻实际瞬态功率超标。我司如果要用该电阻,必须要用3PCS串联,使用2PCS的话,则瞬态功率也会超标。采用此方案,成本如下:
描述 | 单价 | 用量 | |
热插拔电阻 | RX911-1-5W-20欧 | 0.85 | 3PCS |
二极管 | 整流二极管/600V/3A/267-03- | 0.22 | 2PCS |
总成本需2.99元。
采用有编码的料RX911N-5W-20欧-±5%,其瞬态功率曲线如下:
仿真结果如下:
需要RX911-N-5W-20欧 4PCS串联。
则热插拔电路的初步选型如下:
描述 | 单价 | 用量 | |
热插拔电阻 | 线绕电阻器-5W-20Ω±5%-13*9*25.5-5-无感水泥电阻,立式安装- | 0.344 | 4PCS |
二极管 | 整流二极管/600V/3A/267-03- | 0.22 | 2PCS |
总成本为1.816元。
成本对比
采用以前240V15KW用的绕线电阻,需要2PCS,加上热插拔二极管,总成本为3.516元;
采用华为用的水泥电阻,需要3PCS,加上热插拔二极管,总成本为2.99元;
采用水泥电阻RX911N-5W-20欧,需要4PCS,加上热插拔二极管,总成本为1.816元;
从成本上讲,初步选用RX911N-5W-20欧来做热插拔电阻。
放电电路
25k放电电路,也是使用热插拔电阻进行放电。假设从热插拔开始后1s,将模块拔出,该电阻的瞬态功率曲线如下:
电阻的瞬态功率超标。
从热插拔开始后1.3s,将模块拔出,该电阻的瞬态功率曲线如下:
因此,为满足热插拔电阻的瞬态功率要求,在模块热插拔针开始接触后,最少需要过1.3秒,才能将模块拔出。
结论
热插拔电阻,采用4PCS (20欧/5W水泥电阻)串联实现。热插拔二极管,采用2PCS (600V/3A)并联实现。
学习电路,看动图清晰明了(模拟电路、数字电路不再话