熱插撥和數(shù)字電源監(jiān)控常見問答

什么是熱插拔?

熱插撥就是允許模塊在系統(tǒng)上電的情況下在電源總線上進(jìn)行插入或拔出，同時(shí)不影響總體系統(tǒng)運(yùn)作。這個(gè)概念可能源自于電話線卡，其板邊插接器設(shè)計(jì)有不同長(zhǎng)度的引線。當(dāng)線卡插入到背板上時(shí)，總是先接地，再接電源總線和I/O引腳。對(duì)于公共交換電話網(wǎng)上簡(jiǎn)單而穩(wěn)健的電子設(shè)備而言，這已足夠。但現(xiàn)在的路由器、服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)往往需要一個(gè)熱插撥控制器、一個(gè)檢測(cè)電阻和一個(gè)FET旁路電阻來(lái)提供更穩(wěn)健更智能的解決方案。

什么樣的模塊需要熱插撥控制器?

如果模塊的輸入電源線上有數(shù)量龐大的旁路電容，或者具有可能造成主要電源總線崩潰的故障模式，則需要熱插撥控制器。將初始充電電流分流到旁路電容上的閉環(huán)限流能力可以在增加新負(fù)載時(shí)，防止主電源總線的電壓下降(圖1)。它還能避免連接器的電源觸點(diǎn)因突然的過(guò)量電流而引起過(guò)載。

一旦輸入電容充上電，電流控制環(huán)路就可用作一種保護(hù)機(jī)制，來(lái)對(duì)以后任何超出模塊設(shè)計(jì)規(guī)格的大電流進(jìn)行限制，由此根據(jù)推測(cè)來(lái)判斷是出現(xiàn)短路還是其它故障。這樣，就很容易在控制器感測(cè)到過(guò)量電流時(shí)關(guān)斷模塊，或者永久性關(guān)斷，直到再進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，或者進(jìn)入自動(dòng)重啟模式。

電源監(jiān)控的用途

知道了系統(tǒng)各點(diǎn)上的電壓和電流數(shù)據(jù)后，設(shè)計(jì)人員就可以據(jù)此計(jì)算出每個(gè)電源軌的功耗。通過(guò)感應(yīng)電阻、電流檢測(cè)放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等關(guān)鍵元件可獲得電源電流數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。然后，再在軟件領(lǐng)域執(zhí)行數(shù)字電源監(jiān)控算法。在可熱插撥系統(tǒng)中，這種功能尤其有助于監(jiān)控每一個(gè)可插式子系統(tǒng)的性能。

圖1：將初始充電電流分流到旁路電容上的閉環(huán)限流能力可以在增加新負(fù)載時(shí)，防止主電源總線的電壓下降

系統(tǒng)如何利用系統(tǒng)各點(diǎn)上的電壓和電流信息?

這一數(shù)據(jù)可用于決定如何立即提高系統(tǒng)的效率和性能。以一個(gè)包含了10塊板子的服務(wù)器機(jī)柜為例，每塊板子的功耗限制為100W。這種每個(gè)刀片插槽100W的限制是強(qiáng)制的，而機(jī)柜的電源單元最高功率為1000W。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，所有刀片都只能工作在100W以下。

如果引入電源監(jiān)控，就可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行更加智能的功率調(diào)節(jié)。如果從完全插滿了的機(jī)柜板上拔下一個(gè)板卡，就會(huì)多出100W“額外的”未使用功率。這種情況下，系統(tǒng)中其余的每一塊板子都將獲得額外的10W功率。

必須對(duì)插件板的功耗進(jìn)行監(jiān)控以確保總體功率不超出預(yù)算。這種電源管理方案使系統(tǒng)能夠最大限度地利于可用的功率預(yù)算，而監(jiān)控子系統(tǒng)級(jí)的功耗是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不可或缺的一部分。

圖2：將熱插撥控制器和電流檢測(cè)電路集成在一起意味著這兩個(gè)功能可以共用一個(gè)感應(yīng)電阻，從而減少了元件數(shù)目，同時(shí)將功率損耗降至最低

為什么要將基本熱插撥電流控制與監(jiān)控整合在一個(gè)器件中?

將熱插撥控制器和電流檢測(cè)電路集成在一起意味著這兩個(gè)功能可以共用一個(gè)感應(yīng)電阻，從而減少了元件數(shù)目，同時(shí)將功率損耗降至最低(圖2)。而且，分別使用單個(gè)感應(yīng)電阻來(lái)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)這兩種功能可能很困難。要讓兩個(gè)單獨(dú)的電路在各自給定的感應(yīng)電阻下正常工作，可能需要做大量的校準(zhǔn)工作。也許每一個(gè)功能的性能都不得不作出一些折衷犧牲。此外，由于控制器削減了芯片的占位面積和元件數(shù)目，因此在這塊芯片上集成感測(cè)放大器和ADC還可以節(jié)省功率，并消除噪聲問題。