熱插拔保護(hù)電路設(shè)計及實例

　　引言

　　服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、冗余存儲磁盤陣列（RAID），以及其它形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施等高可用性系統(tǒng)，需要在整個使用生命周期內(nèi)具有接近零的停機(jī)率。如果這種系統(tǒng)的一個部件發(fā)生了故障或是需要升級，它必須在不中斷系統(tǒng)其余部分的情況下進(jìn)行替換，在系統(tǒng)維持運轉(zhuǎn)的情況下，發(fā)生故障的電路板或模塊將被移除，同時替換部件被插入。這個過程被稱為熱插拔（hot swapping）（當(dāng)模塊與系統(tǒng)軟件有相互作用時，也被稱為hot plugging1）。為了實現(xiàn)安全的熱插拔，通常使用帶交錯引腳的連接器來保證地與電源的建立先于其它連接，另外，為了能夠容易的從帶電背板上安全的移除和插入模塊，每塊印制板（PCB）或熱插拔模塊都帶有熱插拔控制器2。在工作狀態(tài)下，控制器還可提供持續(xù)的短路保護(hù)和過流保護(hù)。

　　盡管切斷或開啟的電流會比較大，但大電流設(shè)計的一些微妙之處卻常常未得到充分的考慮。“細(xì)節(jié)決定成敗”，本文將重點分析熱插拔控制電路中各部件的功能及重要性，并深入分析在設(shè)計過程中使用ADI公司ADM11773熱插拔控制器時的設(shè)計考慮和器件選型標(biāo)準(zhǔn)。

　　熱插拔技術(shù)

　　常用的兩種系統(tǒng)電源電壓為-48 V和+12 V，它們使用不同的熱插拔保護(hù)配置。-48 V系統(tǒng)包含低端熱插拔控制器和導(dǎo)通MOSFET；而+12 V 系統(tǒng)使用高端熱插拔控制器和導(dǎo)通MOSFET。

　　-48 V方案來源于傳統(tǒng)的通信交換系統(tǒng)技術(shù)，如高級通信計算架構(gòu)（ATCA）系統(tǒng)、光網(wǎng)絡(luò)、基站，以及刀片式服務(wù)器。48 V電源通?？捎呻姵亟M提供，選用48 V是因為電源及信號能被傳輸至較遠(yuǎn)的距離，同時不會遭受很大損失；另外，在通常條件下，由于電平不夠高，所以不會產(chǎn)生嚴(yán)重的電氣沖擊危險。采用負(fù)電壓的原因是，當(dāng)設(shè)備不可避免的暴露在潮濕環(huán)境中時，在正極端接地的情況下，從陽極到陰極的金屬離子遷移的腐蝕性較弱。

　　然而，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，距離并不是重要因素，+12 V電壓會更加合理，它常用于服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。本文將重點介紹+12 V系統(tǒng)。

　　熱插拔事件

　　考 慮一個具有12 V背板及一組可移除模塊的系統(tǒng)。每個模塊必須能在不影響任意相鄰模塊正常工作的條件下被移除和替換。當(dāng)沒有控制器時，每個模塊可能會對電源線造成較大的負(fù)載電容，通常在毫法量級。首次插入一個模塊時，其未充電的電容需要所有可用的電流來對其進(jìn)行充電。如果不對這個浪涌電流加以限制，這個很大的初始電流將會降低端電壓，導(dǎo)致主背板上的電壓大幅下降，使系統(tǒng)中的多個鄰近模塊復(fù)位，并破壞模塊的連接器。

　　這個問題可通過熱插拔控制器（圖1）來解決，熱插拔控制器能合理控制浪涌電流，確保安全上電間隔。上電后，熱插拔控制器還能持續(xù)監(jiān)控電源電流，在正常工作過程中避免短路和過流。

　　圖1 熱插拔應(yīng)用框圖

　　熱插拔控制器

　　ADM1177熱插拔控制器包括三個主要元件（圖2）：用作電源控制主開關(guān)的N溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻，以及熱插拔控制器。熱插拔控制器用于實現(xiàn)控制MOSFET導(dǎo)通電流的環(huán)路，其中包含一個電流檢測放大器。

　　圖2、ADM1177功能框圖

　　熱插拔控制器內(nèi)部的電流檢測放大器用于監(jiān)控外部檢測電阻上的電壓降。這個小電壓（通常為0~100 mV）必須被放大到可用的水平。ADM1177中放大器的增益為10，那么，舉例來說，某個給定電流產(chǎn)生的100 mV電壓降將被放大到1 V。這個電壓將與固定或可變的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果使用1V的基準(zhǔn)源，那么在檢測電阻上產(chǎn)生 100 mV（±3%）以上電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過流。因此，最大電流觸發(fā)點主要取決于檢測電阻、放大器增益，以及基準(zhǔn)電壓；檢測電阻值決定了最大電流。定時器電路用于設(shè)定過流持續(xù)時間。

　　ADM1177 具有軟啟動功能，其中過流基準(zhǔn)電壓線性上升，而不是突然開啟，這使得負(fù)載電流也以類似方式跟著變化。這可通過從內(nèi)部電流源往外部電容（SS引腳）注入電流，令比較器的基準(zhǔn)輸入從0 V到1 V線性升高而實現(xiàn)。外部SS電容決定了上升的速度。如果需要，SS引腳也可以直接使用電壓驅(qū)動，以設(shè)定最大電流限。

　　由 比較器及參考電路構(gòu)成的開啟電路用于使能器件。它精確設(shè)定了使能控制器所必須達(dá)到的電源電壓。器件一旦使能，柵極就開始充電，這種電路所使用的N溝道MOSFET的柵極電壓必須高于源極。為了在整個電源電壓（VCC）范圍內(nèi)實現(xiàn)這個條件，熱插拔控制器集成了一個電荷泵，能夠?qū)?GATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來使能MOSFET，并需要下拉電流來禁用MOSFET。較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強(qiáng)的下拉電流則用于在短路情況下快速禁用MOSFET。

　　熱插拔控制器的最后一個基本模塊為定時器，它限制過流情況下電流的調(diào)節(jié)時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用如圖3所示的圖表標(biāo)出這個范圍，或稱作安全工作區(qū)（SOA）。

　　圖3 MOSFET SOA圖

　　SOA 圖所示的是漏源電壓、漏極電流，以及MOSFET能夠承受這一功耗的持續(xù)時間之間的關(guān)系。例如，圖3中的MOSFET在10 V和85 A（850 W）條件下能承受1 ms，如果這一條件持續(xù)更長時間，則MOSFET可能損壞。定時器電路使用外部定時器電容來限制MOSFET經(jīng)受這些最壞條件的時間。例如，如果定時器設(shè)置為1ms，當(dāng)電流的持續(xù)時間超過1 ms的限制時，電路就會暫停，并關(guān)斷MOSFET。

　　為了提供安全裕量，在ADM1177中，定時器的電流檢測電壓激活閾值被設(shè)置為92 mV，因此，當(dāng)檢測電壓接近100 mV的額定值時，熱插拔控制器就會開始計時。

　　設(shè)計實例

　　由于ADM1177等控制器的設(shè)計允許一定的靈活性，因此演示其在12 V熱插拔設(shè)計實例中的應(yīng)用是很有用的。在本例中，假設(shè)：

　　控制器為ADM1177

　　VIN = 12 V （±10%）

　　VMAX = 13.2 V

　　ITRIP = 30 A

　　CLOAD = 2000 μF

　　VON = 10 V （較好的開啟控制器的電源電平）

　　IPOWERUP = 1 A （上電過程中所需的直流偏置電流）

　　為簡化討論，計算中不考慮器件容差效應(yīng)。當(dāng)然，在最壞條件的設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)考慮這些容差。

　　ON 引腳

　　首先考慮在電源電壓超過10 V的情況下使能控制器的情況。如果ON引腳的閾值為1.3 V，從VIN 到ON引腳的分壓器比例應(yīng)該設(shè)定為0.13:1。 為了保證準(zhǔn)確性，選擇電阻時應(yīng)考慮到引腳的漏電。

　　由10 kΩ與1.5 kΩ構(gòu)成的電阻分壓器的分壓比為0.130。

　　檢測電阻的選擇

　　檢測電阻的選取應(yīng)以開啟定時器所需的負(fù)載電流為依據(jù)。

　　其中 VSENSETIMER = 92 mV.

　　檢測電阻在30 A電流下消耗的最大功率為

　　因此，檢測電阻應(yīng)該能承受3W的功率。如果沒有具有適當(dāng)?shù)念~定功率或阻值的單個電阻，可以使用多個電阻并聯(lián)來構(gòu)成檢測電阻。

　　負(fù)載電容充電時間

　　選擇MOSFET之前必須確定負(fù)載電容充電所需的時間。在上電階段，由于負(fù)載電容的浪涌電流效應(yīng)，控制器通常會達(dá)到電流限制。如果TIMER引腳設(shè)置的時間不足以允許負(fù)載電容完成充電，那么MOSFET將被禁用，系統(tǒng)無法上電。我們可以使用下列公式來確定理想的充電時間：

　　其中 VREGMIN = 97 mV，是熱插拔控制器的最小調(diào)節(jié)電壓。

　　這個公式假定負(fù)載電流瞬時從0 A上升到30 A，這是一個理想情況。實際上，較大MOSFET的柵極電荷量QGS會限制柵極電壓的壓擺率，從而限制上電電流，因此，一定量的電荷會傳輸?shù)截?fù)載電