智能的熱插拔控制：浪涌電流限制的下一個(gè)發(fā)展階段

　　熱插拔問(wèn)題

　　高可用性系統(tǒng)必須連續(xù)工作，不能中斷服務(wù)。為了在底盤(pán)上裝有很多電路卡的大型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這樣的可靠性，必須能夠在不給系統(tǒng)斷電的情況下增加新卡和替換舊卡或損壞的卡。但是，在帶電背板上拔出和插入板卡可能引起成堆的問(wèn)題。背板上板卡連接器之間常常有很大的電感，背板電源也有很大的電容。斷開(kāi)一個(gè)仍在消耗負(fù)載電流的板卡能導(dǎo)致背板上出現(xiàn)振鈴和大的電壓尖峰，這有可能干擾甚至損壞附近的電路板。在電壓更高的應(yīng)用中（如 48V 配電系統(tǒng)），拔出板卡可能引起電弧，導(dǎo)致連接器接觸點(diǎn)損壞。甚至?xí)霈F(xiàn)更嚴(yán)重的情況：當(dāng)插入一個(gè)新的板卡且其電源軌第一次聯(lián)接時(shí)，不受限制的背板電流會(huì)給板卡電容充電并引起災(zāi)難性的瞬態(tài)浪涌。迄今為止，已經(jīng)逐漸出現(xiàn)了各種電路，可在這類(lèi)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)板卡的安全“熱”插拔。

　　熱插拔解決方案的發(fā)展過(guò)程

　　如圖 1 所示，在背板和具有大電容的板卡之間放置開(kāi)關(guān) M1，以解決一些熱插拔問(wèn)題。以某種控制方式接通和斷開(kāi)這個(gè)開(kāi)關(guān)可以最大限度地減小對(duì)背板電源的干擾。插入板卡時(shí)，這個(gè)開(kāi)關(guān)起初靠 R1 保持關(guān)閉狀態(tài)。電源軌接通以后，短引腳連接并通過(guò) R2 給 C1 充電以接通開(kāi)關(guān)。箝位電路 Z1 將 M1 的柵極電壓限制在安全值上。當(dāng)板卡拔出時(shí)，短引腳首先斷接，允許 R1 慢慢關(guān)閉 M1。

　　這個(gè)簡(jiǎn)單的電路有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，雖然 M1 柵極的波形是緩慢上升的，但是功率晶體管的高增益導(dǎo)致輸出電壓以快得多的速度上升。因此， 要實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)意的接通速度，所需的 R1、R2 和 C1 的值高到了不現(xiàn)實(shí)的程度。其次，通過(guò) R1 斷開(kāi) M1 的過(guò)程非常慢，也許比拔出板卡所花的時(shí)間還長(zhǎng)。因此這個(gè)開(kāi)關(guān)在長(zhǎng)引腳斷接時(shí)仍有可能允許電流流過(guò)。第三，如果板卡短路或過(guò)載，惟一的保護(hù)是慢速作用的保險(xiǎn)絲 F1。最后，在正電壓系統(tǒng)中，這個(gè)電路中的 M1 必須采用 P 型 MOSFET，這一般不如采用 N 型器件經(jīng)濟(jì)。

　　早期集成的熱插拔控制器（如圖 2 所示的 LT1640）解決了很多這類(lèi)問(wèn)題。當(dāng)短引腳連接時(shí)，控制器以電流固定為 45μA 的電流源接通開(kāi)關(guān)。起初，它會(huì)給 MOSFET 柵極充電，直到 MOSFET 接通為止。當(dāng)輸出電壓開(kāi)始變化時(shí)，該電流轉(zhuǎn)而給柵漏之間的電容器 C2 充電。通過(guò)選擇 C2 來(lái)準(zhǔn)確設(shè)定輸出電壓轉(zhuǎn)換率和浪涌電流。在拔出板卡時(shí)，該控制器在連接器接觸點(diǎn)斷開(kāi)之前迅速斷開(kāi) MOSFET 開(kāi)關(guān)。此外，電流檢測(cè)電阻 R_S 與比較器 A1 一起形成一個(gè)電子斷路器，如果負(fù)載電流超過(guò)所設(shè)定的限度，那么這個(gè)斷路器就斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。就正電壓系統(tǒng)而言，像 LTC1422 這樣的器件還提供一個(gè)充電泵以驅(qū)動(dòng)不那么昂貴和用于高壓側(cè)電源軌的 N 型 MOSFET。

　　很多系統(tǒng)都有持續(xù)時(shí)間很短的電源瞬態(tài)，這是正?，F(xiàn)象。例如，電信系統(tǒng)可能在冗余電源之間切換，從而在板卡輸入電壓中引起幾伏的階躍。在帶有電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中（如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器），電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間很短的大電流。這樣的事件可能導(dǎo)致負(fù)載電流瞬間超過(guò)斷路器門(mén)限，從而錯(cuò)誤地關(guān)閉開(kāi)關(guān)。第二代熱插拔控制器發(fā)展到可以區(qū)別真的故障和工作瞬態(tài)，并提供恰當(dāng)?shù)墓收媳Ｗo(hù)。將圖 2 所示的比較器變成主動(dòng)限制電流的放大器就可以解決這個(gè)問(wèn)題。LT4250 等器件將電流限制到一個(gè)安全值上，然后，如果故障持續(xù)時(shí)間超出了定時(shí)器的設(shè)定值，就關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

　　在出現(xiàn)浪涌和輸出過(guò)載時(shí)主動(dòng)限制電流這進(jìn)一步的改進(jìn)簡(jiǎn)化了熱插拔電路。這允許去掉電容器 C2 并更快地升高輸出電壓。限流定時(shí)器常常是可調(diào)的，因此可以讓過(guò)載持續(xù)時(shí)間與特定系統(tǒng)需求和 MOSFET 的堅(jiān)固性相匹配。用于 -48V 系統(tǒng)的 LTC4252A 和用于正電壓系統(tǒng)的 LT4256 就是這類(lèi)器件。

　　數(shù)字監(jiān)控——熱插拔控制器的新紀(jì)元

　　提高智能程度改善可靠性

　　在復(fù)雜的高可用性應(yīng)用中，出于多種原因，監(jiān)視系統(tǒng)電源變得越來(lái)越重要了。首先，隨著時(shí)間推移，你可以觀察表明工作反常和預(yù)示即將出現(xiàn)故障的異常動(dòng)向。其次，系統(tǒng)在不同類(lèi)型的板卡之間分配功率以節(jié)約使用總電源容量是今天的常見(jiàn)做法。電源監(jiān)控確保板卡消耗的功率保持在所分配的限額之內(nèi)。熱插拔電路放置在電源連接器附近，因此自然而然地成為對(duì)進(jìn)入板卡的功率進(jìn)行監(jiān)視的處所。

　　LTC4260、LTC4261等最新一代熱插拔控制器使功率監(jiān)視很容易進(jìn)行。除了浪涌電流控制、電子斷路器等核心熱插拔功能以外，LTC4261（如圖 3 所示）還包含一個(gè) 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路復(fù)用器、前置放大器電路和數(shù)字接口，能實(shí)現(xiàn)前所未有的監(jiān)視和控制水平。這個(gè)器件測(cè)量輸入電壓和電流檢測(cè)電阻上的電壓。知道了電壓和電流就可以確定板卡的功率并觀察動(dòng)向。此外，還可以利用附加的自由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入實(shí)現(xiàn)額外的測(cè)量，如測(cè)量 MOSFET 上的電壓或輸入保險(xiǎn)絲狀態(tài)。

　　由于具備數(shù)字接口而增加 的功能遠(yuǎn)不止監(jiān)視板卡功率。你還可以向器件發(fā)布指令以控制電源并配置及報(bào)告各種故障表現(xiàn)。例如，開(kāi)關(guān)可能由于背板欠壓狀態(tài)等故障而斷開(kāi)。在這種情況下，可以設(shè)定一個(gè)標(biāo)記，根據(jù)這個(gè)標(biāo)記確定故障原因。這也可能產(chǎn)生一個(gè)“報(bào)警信號(hào)”，將中斷電壓拉低以通知系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。此外，你還可以設(shè)置，出現(xiàn)哪些故障時(shí)讓板卡永久斷開(kāi)或自動(dòng)再加電。例如，遠(yuǎn)程或難以提供服務(wù)的系統(tǒng)可能優(yōu)先選擇在欠壓狀態(tài)結(jié)束時(shí)允許板卡自己重新啟動(dòng)。

　　這種信息可以?xún)煞N方式獲取。首先，你可以采用常見(jiàn)的I²C總線(xiàn)讀寫(xiě)寄存器。在-48V系統(tǒng)中，這常常意味著跨隔離勢(shì)壘向I²C主器件發(fā)送數(shù)據(jù)。LTC4261將發(fā)送和接收數(shù)據(jù)引腳（SDAO 和 SDAI）分開(kāi)以簡(jiǎn)化隔離電路。其次，你可以利用單線(xiàn)廣播模式進(jìn)一步降低成本。在這種情況下，單輸出引腳和外部光隔離器重復(fù)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流，提供了寄存器內(nèi)容和所測(cè)得的電壓和電流值。

　　監(jiān)視多種故障

　　現(xiàn)代熱插拔控制器除了過(guò)流，還監(jiān)視多種故障。在 -48V 系統(tǒng)中，對(duì)所允許的工作電壓常常有嚴(yán)格的要求以保護(hù)負(fù)載。兩個(gè)欠壓輸入 UVH 和 UVL 允許從斷開(kāi)電壓（如 -38V）獨(dú)立選擇接通電壓（如 -43V）。如果輸入電壓太高，那么過(guò)壓輸入 OV 就斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

　　LTC4261 簡(jiǎn)化了電源啟動(dòng)過(guò)程，并確保就負(fù)載而言恰當(dāng)?shù)碾娫磫?dòng)。它延遲產(chǎn)生電源良好信號(hào)，在MOSFET開(kāi)關(guān)升高板卡電源電壓之后啟動(dòng)負(fù)載。接著，加電定時(shí)器啟動(dòng)。系統(tǒng)監(jiān)視器必須回來(lái)終止定時(shí)器，以指示正常工作狀態(tài)。如果由于系統(tǒng)啟動(dòng)出現(xiàn)故障，定時(shí)器最終沒(méi)有接收到這個(gè)信號(hào)，那么電源就關(guān)斷。

　　軟啟動(dòng)和獨(dú)立浪涌電流限制改善連接

　　除了很多新型監(jiān)視功能以外，基本浪涌控制功能也在不斷改善。在某些具有極大背板電感的應(yīng)用中，不僅必須控制浪涌電流，還必須限制浪涌電流的上升速度（dI/dt），以最大限度地減小對(duì)背板的干擾。限流電路現(xiàn)在納入了軟啟動(dòng)功能以限制dI/dt，而dI/dt是通過(guò)選擇外部電容器C_SS來(lái)控制的。

　　另一個(gè)改進(jìn)是將插入板卡時(shí)的浪涌電流限制與斷路器使用的工作電流限制分開(kāi)。在負(fù)載電流很大的系統(tǒng)中，可能存在很大的負(fù)載電容。如果將這么大的電容充電到48V，會(huì)存儲(chǔ)相當(dāng)高的能量。啟動(dòng)時(shí)在MOSFET 開(kāi)關(guān)中消耗等量的能量，這是最大的負(fù)擔(dān)。LTC4261允許定義斷路器限流值，可以用R_S設(shè)置，不受用C2設(shè)置的浪涌電流的影響。因此，你可以給大負(fù)載電容加電，同時(shí)最大限度地降低MOSFET的功耗和尺寸。圖4顯示 LTC4261 在一個(gè) -48V 板卡插入后啟動(dòng)該板卡的過(guò)程。

　　結(jié)論

　　在板卡帶電插入時(shí)，安全管理電源是要求高可用性系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。過(guò)去幾年人們已經(jīng)對(duì)電路進(jìn)行了多種改進(jìn)，以確保板卡帶電插入時(shí)的安全。早期的熱插拔電路粗略限制浪涌電流。后來(lái)的改進(jìn)是增加電子斷路器來(lái)隔離故障、增加比較器來(lái)監(jiān)視電壓以及增加電