空間受限型應用中的PMBus熱插拔電路介紹

摘要

本文詳細介紹了熱插拔電路基礎，以及要求使用系統保護與管理 (SPM) 和印刷電路板 (PCB) 基板面極其珍貴的情況下系統設計人員所面臨的諸多挑戰(zhàn)。以模塊化實現利用集成數字熱插拔控制器時，我們?yōu)槟榻B了一種框架，用于檢查設計的各項重要參數和熱插拔系統保護電路的 PCB 布局。另外，文章還列出了相關實驗結果報告。

高密度系統的熱插拔電路保護

許多分布式電源系統（如圖 1 所示）都集成了總線轉換器、負載點 (POL) 與線性穩(wěn)壓器，專用于高性能刀片式服務器、ATCA 解決方案和通信基礎設施系統[1]。這些系統越來越多地應用于一些日益小型化的實現中，旨在降低成本。為了保證這些系統擁有最大的可靠性和最長的持續(xù)運行時間，熱插拔控制器[2]是首選方法，因為它可以提供最理想的系統保護和電管理，特別是能夠達到服務器市場的嚴格要求。系統保護與管理 (SPM) 功能專用卡邊緣的可用 PCB 基板面已變得相當狹小，這并不讓人感到意外。這種情況帶來的結果是，設計工作主要集中在了高功率密度、低成本熱插拔電路實現上面。


圖 1 電信系統分布式電源架構例子

在這類應用中，熱插拔控制器的特點是通常包括帶電電路板插入（浪涌電流控制）和拔取安全控制、故障監(jiān)控診斷與保護以及高精確度電氣（電壓、電流、功率）和環(huán)境（溫度）參數測量，目的是提供實時的系統模擬或數字域遙測。特別是，如果服務器機架一個線卡出現故障，該故障應隔離在該特定線卡，不會影響系統底板或者其他通過帶電底板供電的線卡。熱插拔控制器正常情況下會通過接口連接至某個通過 MOSFET，其同電源通路串聯，從而實現“開/關”功能和電流檢測低電阻分流器。

圖 2 顯示了典型服務器系統中為供電量身定做的線卡接口和熱插拔電路原理圖，并為后續(xù)討論的模板。討論過程中，我們將不厭其煩地詳細描述熱插拔電路底板連接器邊緣插件板和下游組件。

圖 2 典型的熱插拔電路布局

一般而言，在一些 +12V 和 +48V 系統中，熱插拔通過器件（圖 2 中 MOSFET Q1）與高端連接配置，并且其柵極連接至接地基準控制器。在 -48V 底板系統中，該控制器參考至 48V 電壓軌，并且根據要求上下浮動。在所有情況下，當檢測到故障 Q1 被熱插拔控制器迅速關閉時，必要時接地連接可不中斷。

熱插拔模塊提供一種方便的標準化方法，實現一站式熱插拔解決方案。這種模塊是一種單獨、獨立的子配件，它們是一些結構相同、超緊湊、獨立自主、經過完全驗證和測試的組件，完全適合于高容量 SMT 制造。同樣，它可在多個系統和應用之間靈活地部署使用，從而極大地減輕了系統工程師的設計工作負擔。熱插拔模塊通常以一種中間夾層的方式平行堆疊在系統主板上，利用鍍過孔 (PTH) 或者表面貼裝 (SMT) 接頭與電源和信號連接形成母子配置結構。另外，需要注意的是，主板通過模塊的終端連接提供導電散熱。然而，使用雙面模塊板布局時，主要功耗組件通過 MOSFET 和分流電阻器，放置于模塊的頂部，以有目的地利用應用環(huán)境中的自然或者強制對流。