大功率刀片的-48V熱插拔控制器設(shè)計

刀片必須插入機架而不能影響背板上其余刀片的工作。最新插入的刀片將利用背板的電源工作。如果檢測到刀片發(fā)生故障，必須從插槽中把這個刀片拔掉，再把新的刀片插入同一個插槽以恢復(fù)服務(wù)。

把刀片插入運行中的背板或拔掉的過程稱為“熱插拔”。可支持這個功能的刀片稱為“可熱插拔”的刀片。

熱插拔控制器電路的組成部分及其工作原理

當(dāng)?shù)镀宓奖嘲迳蠒r，刀片上所有連接到背板的電容開始充電，從背板汲取大量的電流。浪涌電流會導(dǎo)致背板電壓瞬間下降，并在連接器上產(chǎn)生電弧。過多的浪涌電流可使背板電源超載，從而完全關(guān)閉電源，并影響機架上其余刀片的工作。

為盡可能地減小電路板熱拔插對機架上其余刀片的影響，在熱插拔期間需限制刀片的浪涌電流。限制浪涌電流的電路被稱為“熱插拔控制器電路”。

圖1顯示了在刀片中實現(xiàn)的熱插拔控制器電路的主要部分。從圖的左上方開始著順時針方向描述電路：GND端通過肖特基二極管將電源送至DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC模塊是一個產(chǎn)生有效載荷電源電壓(12V，5.6V等)的獨立電源。DC/DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)端通過MOSFET開關(guān)和電流感測電阻連接到-48V電源。DC/DC轉(zhuǎn)換器兩端的隔離(hold-off)電容保留了足夠的電荷以確保電路板在背板電壓降低期間保持運作。熱插拔控制器利用電流感測電阻和V_{MOSFET 信號來監(jiān)控MOSFET電流和電壓，以便控制在發(fā)生浪涌時MOSFET消耗的功率。}

圖1：典型的熱插拔控制器電路。

當(dāng)板卡被插入背板時，可以看到由MOSFET寄生電容引起的短暫的浪涌電流脈沖(通常為幾毫秒)。此外，由于連接器的觸點顫動，電源以脈沖的方式加到刀片上。熱插拔控制器可使MOSFET和DC/DC轉(zhuǎn)換器在觸點顫動停止前處于關(guān)閉狀態(tài)。然后利用電流感測電阻上的電壓作為反饋電壓慢慢地打開MOSFET，這樣做是為了將浪涌電流值限制在刀片電源電流的最大給定值以下。該電流將對個隔離電容充電，直到V_MOSFET引腳處的電壓接近-48V。此時DC/DC轉(zhuǎn)換器被打開，以便為刀片的有效負(fù)載部分供電。

當(dāng)有另外的板卡插入而使背板電壓下降時，隔離電容的作用是保證電路板處于工作狀態(tài)。隔離電容的大小與刀片消耗的總功率，以及防止出現(xiàn)欠壓的需求直接成正比。當(dāng)欠壓情況下的脈沖寬度超過預(yù)置的時間限制時，將其歸為“電源欠壓”情況，此時欠壓鎖定過程開始。欠壓鎖定過程關(guān)閉MOSFET，直到背板電壓恢復(fù)到正常值。在欠壓的情況下，與GND串聯(lián)的肖特基二極管可阻止來自隔離電容的反向電流流入背板。

熱插拔控制器還能夠檢測到電源故障，例如欠壓和過流。在這兩種情況下，熱插拔控制器將在故障排除后重新為刀片供電。

針對大功率刀片的熱插拔控制器設(shè)計考慮

對于低功耗設(shè)計而言，熱插拔控制器電路比較簡單，這是因為背板電流非常小。但是，由于現(xiàn)代刀片具有更高級的功能，它需要消耗更多的功率。例如，許多ATCA刀片消耗的功率約為200瓦。為了與現(xiàn)今刀片設(shè)計日漸增加的功耗相適應(yīng)，必須增大隔離電容的容量，并使用大功率的MOSFET。

1. 增大隔離電容容量的影響

由于浪涌電流的大小與電容成正比，對于機架上的其它刀片，增加隔離電容的容量可能會導(dǎo)致欠壓周期較長。在欠壓周期之后，熱插拔控制器應(yīng)使MOSFET完全開啟以便隔離電容快速充電。在此期間電容的充電電流可以高于過流限制。因此，熱插拔控制器應(yīng)暫時中止其電流限制。

2. 電流浪涌期間MOSFET的功耗

當(dāng)隔離電容開始充電時，電容上的電壓近似為0V，全部背板電壓被加到MOSFET上。因此MOSFET的瞬時功耗非常大。例如，在正常工作期間，功率為200瓦的刀片從-48V背板汲取4A的電流。這種刀片的過流閾值為5A，熱插拔控制器在上電期間將浪涌電流限制在這個值以下。當(dāng)隔離電容開始充電，MOSFET將消耗48V 5A的功率(幾乎達(dá)到250瓦)。如此大的功率已經(jīng)超過了用來控制200瓦刀片的MOSFET的安全工作范圍。

設(shè)計者必須確保MOSFET的功率范圍不會超過其安全工作區(qū)(SOA)。否則電路的可靠性將會受到影響。圖2展示了MOSFET的典型安全工作區(qū)。

圖2：MOSFET的安全工作區(qū)。

雙對數(shù)圖中的X軸表示MOSFET(VDS)上的電壓，Y軸表示MOSFET上的電流。對于一個給定的電流脈沖寬度，安全電流脈沖振幅具有多條曲線。曲線以下的區(qū)域就是MOSFET的安全工作區(qū)。設(shè)計者應(yīng)確保MOSFET的工作不會超出安全工作區(qū)(包括短暫的啟動期間)。此外，應(yīng)仔細(xì)考慮MOSFET在正常工作期間消耗的平均功率，以免MOSFET受損。

3. 短路保護(hù)

可能出現(xiàn)的任何電路故障，都可能使刀片吸收大量電流。電路故障可能發(fā)生在DC/DC轉(zhuǎn)換器之前的高電壓端，或DC/DC轉(zhuǎn)換器之后的次級，或者DC/DC轉(zhuǎn)換器本身。如果將一個出現(xiàn)過流故障的刀片插入背板，熱插拔控制器應(yīng)能夠迅速反應(yīng)并對電流進(jìn)行限制，同時確保MOSFET工作在SOA內(nèi)，以盡量減小它對同一機架上其它刀片的干擾。

4. 對電源故障的反應(yīng)

在刀片工作期間，故障可能發(fā)生在背板電源或者負(fù)載部分。背板的故障可能會在欠壓狀況下持續(xù)一段短暫時間(由延遲時間決定)或者持續(xù)一段較長的時間，此時熱插拔控制器應(yīng)處于等待狀態(tài)直到故障被排除，然后進(jìn)行重新連接。如果刀片負(fù)載部分汲取的功率超過指定值，則熱插拔控制器應(yīng)關(guān)斷電路板電源。

熱插拔控制器設(shè)計實例

本小節(jié)描述的熱插拔控制器電路采用的是低成本可編程電源管理器件，例如萊迪思半導(dǎo)體公司的POWR607(如圖3所示)。這個熱插拔電路涉及前文討論的設(shè)計考慮。

圖3：可編程電源管理器件的模塊示意圖。

這個可編程器件可利用6個可編程閾值比較器監(jiān)控多達(dá)6個電路板電源。此外，該器件提供了多達(dá)7路開漏(open-drain)數(shù)字輸出。7路輸出中有兩路可配置成高壓MOSFET驅(qū)動器。還有兩路通用數(shù)字輸入可用于各種輔助控制功能。芯片上的16個PLD宏單元和4個可編程定時器可為熱插拔控制器算法提供靈活控制。在下文中，電源管理器件指的是可編程熱插拔控制器。

圖4是使用可編程熱插拔控制器的-48V熱插拔電路?？删幊虩岵灏慰刂破骺刂芃OSFET(STB120NF)，參見電路圖的右下角，它用于控制浪涌電流，同時使MOSFET工作在其SOA內(nèi)?？刂破骼肕OSFET左邊的電流感測電阻監(jiān)控電路中的電流。通過43k和3.3k的分壓器對背板電壓和MOSFET兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)控。6V齊納管用來保護(hù)可編程熱插拔控制器的輸入部分。

圖4：采用可編程熱插拔控制器的-48V熱插拔電路。

當(dāng)?shù)镀迦氡嘲鍟r，可編程熱插拔控制器等待觸點彈開以進(jìn)行設(shè)置，然后利用電流脈沖代替恒流反饋對隔離電容充電。電流脈沖的速率是可編程的，以滿足MOSFET的功耗特性。一旦電壓達(dá)到設(shè)定的閾值，則電流脈沖的速率提高，以加速對隔離電容的充電。隔離電容完全充電后，MOSFET完全導(dǎo)通并激活Power_Good信號。這個信號被用來觸發(fā)DC/DC轉(zhuǎn)換器。通過監(jiān)控可編程熱插拔控制器輸入端的兩個電壓來監(jiān)控MOSFET上的電壓。針對第一個電壓監(jiān)控(快速充電周期閾值)設(shè)置的可編程閾值決定著隔離電容從慢速充電到快速充電的轉(zhuǎn)變。第二個閾值(軟啟動)則表明隔離電容充電結(jié)束，MOSFET完全開啟。

可編程熱插拔控制器需等待一段預(yù)置時期(由短路看門狗定時器決定)，等待MOSFET上的電壓降到低于快速充電閾值。如果MOSFET電壓未降到快速充電閾值以下，則MOSFET關(guān)閉，表明出現(xiàn)諸如短路的故障。采用這種方法，即使出現(xiàn)了短路，MOSFET仍可繼續(xù)工作在其安全工作區(qū)內(nèi)。

在正常工作期間，當(dāng)背板電壓降到低于設(shè)置的閾值時，可編程熱插拔控制器感測欠壓周期的開始，并啟動5毫秒的內(nèi)部可編程定時器。如果電源在5毫秒內(nèi)恢復(fù)，則電路繼續(xù)正常工作。如果超過5毫秒，那么熱插拔控制器認(rèn)為這是欠壓事件，并轉(zhuǎn)到功率再循環(huán)(power recycle)程序，等待電源穩(wěn)定后開始對隔離電容進(jìn)行再充電。

在正常工作期間仍可持續(xù)監(jiān)控電流。如果電流超過了預(yù)置的限制值，則可編程熱插拔控制器通過立即關(guān)閉MOSFET來保護(hù)電路。

圖5中上方的示波器曲線展示了在脈沖寬度為5毫秒，用1.5A的電流脈沖對隔離電容充電的狀況。下方的曲線是對4,700uF 隔離電容充電時MOSFET上的電壓。

圖5：隔離電容的充電電流和MOSFET上的電壓。

用兩個可編程熱插拔控制器的MOSFET驅(qū)動器驅(qū)動MOSFET的柵極。一個MOSFET驅(qū)動器將電流幅值維持在1.5A，另一個MOSFET驅(qū)動器控制調(diào)制率。在這個電路中，調(diào)制率特別限制為每260毫秒?yún)^(qū)間內(nèi)一個5毫秒的脈沖。這將最壞情況下(短路期間)MOSFET消耗的平均功率限制為1.5A48V5ms/260ms=1.4W。

定制可編程熱插拔控制器

完整的熱插拔算法可以用可編程熱插拔控制器的16個宏單元PLD來實現(xiàn)。設(shè)計者可以根據(jù)客戶的需求定制該算法以適應(yīng)對刀片的要求?？梢远ㄖ瓶删幊虩岵灏慰刂破鞯南铝袇?shù)：
1. 短路電路看門狗周期：如果在規(guī)定的時間段內(nèi)隔離電容不充電，則關(guān)閉MOSFET。
2. 充電電流脈沖寬度：將脈沖寬度設(shè)置為可確保MOSFET在其安全工作區(qū)內(nèi)工作。
3. 充電電流脈沖頻率：這個參數(shù)和充電電流脈沖寬度決定了一個給定MOSFET的功耗。
4. 再循環(huán)前最小延遲時間：決定了刀片防止欠壓能力。
5. 電流感測等級：該參數(shù)通過選擇Rsense電阻來設(shè)定。
6. 充電電流脈沖的高度：由Rsense電阻值決定，設(shè)置充電電流脈沖的振幅。
7. 電路斷路器電流：啟動關(guān)斷和重啟動的最大電流值。
8. 終止軟件啟動操作：設(shè)置MOSFET完全開啟并產(chǎn)生Power_Good信號時的電壓，。
9. 轉(zhuǎn)換到快速充電的占空比：確定電壓，在該電壓下增大充電脈沖頻率以便安全縮短隔離電容的充電時間。
10. 最小工作電壓：確定背板電壓，電壓低于該值時欠壓過程開始。
11. 過壓上限：高于這個電壓時，MOSFET關(guān)閉以保護(hù)刀片電路。

本文小結(jié)

刀片功能的增多使得刀片的功耗不斷增加，因此對熱插拔控制器的安全性能也提出了更苛刻的要求。傳統(tǒng)的熱插拔控制解決方案功能有限，無法在不損失性能的情況下完全滿足大功率刀片的要求。

利用Lattice POWR607可編程熱插拔控制器，本文中討論的熱插拔控制器電路可提供許多可編程的特性，使設(shè)計者能夠應(yīng)對由增加功耗所帶來的挑戰(zhàn)，同時增強刀片的可靠性。這一設(shè)計可確保MOSFET即使在刀片里出現(xiàn)短路的情況下也工作在安全工作區(qū)內(nèi)。通過改進(jìn)防止欠壓、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和出現(xiàn)故障時自動重試的能力，進(jìn)一步增強了刀片的可靠性。此外，盡可能減小對機架上其它刀片的干擾可使刀片“更有益于熱插拔”。

利用Lattice POWR607可編程熱插拔控制器等器件，設(shè)計者可以對所有刀片上的熱插拔控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，因為熱插拔算法可以針對客戶需求定制，以滿足各種電路板的功率要求。