可編程大電流熱插拔控制

        電路熱插拔控制的目的是為了在一塊正在工作的電路板上添加或“插入”一塊未通電的電路板，不會中斷原電路板正在進(jìn)行的工作狀態(tài)，并且同時啟動添加到系統(tǒng)中的那塊電路板的有序上電。主要目的是為了當(dāng)電流轉(zhuǎn)入一塊插入到“正在工作”或帶電的背板或其他電路的電路板時，保護(hù)MOSFET器件。

        目前有許多商業(yè)的集成電路可以實現(xiàn)單獨的熱插拔或即插即用控制功能。這些器件在一組特定的電壓/電流輸入范圍條件下有最佳的表現(xiàn)。使用這些電路，編程需要進(jìn)一步考慮電路板的其他參數(shù)變化。編程由用戶實現(xiàn)，用戶必須慎重選擇外部電阻和電容來控制斜率、過/欠壓限制和其他關(guān)鍵參數(shù)。

        本文將研究一種通用的熱插拔控制器，與其他控制器相比，軟件可編程的條件更廣泛。它會詳細(xì)說明使用的算法，為用戶提供使用一個熱插拔控制器件的最大的靈活性。最后，通用電源/平臺管理控制器的優(yōu)勢可以成為可編程器件的集成功能集的一部分，為設(shè)計師們提供更大的價值和易用性。

熱插拔控制器是如何工作的？

        熱插拔控制器用于在電路板插入帶電的背板時，限制浪涌電流。此外，這些器件提供了電路板的過流、過壓和欠壓保護(hù)。圖1顯示了用于正電壓電源背板的典型熱插拔控制器的實現(xiàn)框圖。RS是電流檢測電阻。MOSFET Q1用來控制電路板上從背板到負(fù)載的電流。電阻R1、R2和R3用于監(jiān)測背板的過壓和欠壓情況。

         當(dāng)背板電壓瞬時降至低于低工作電壓（欠壓）閾值（例如，持續(xù)約10ms）時，使用釋抑電容CH為電路板供電。這個電容是使得電路板不受到其他電路板熱插入或熱拔出系統(tǒng)時所引起的背板電壓下降的關(guān)鍵。


 
圖1——正電壓熱插拔控制器
         一旦當(dāng)卡插入通電的背板時就會發(fā)生一系列事件。首先，會有大電流從背板流入釋抑電容CH。熱插拔控制器通過控制MOSFET柵極上的電壓限制浪涌電流，使用RS上的電壓作為反饋電壓。MOSFET將在這個線性或部分工作的電流限制模式下工作，直到電容CH完全充電。

        在短暫的電容充電時間內(nèi)，從背板流入的浪涌電流往往會比電路板的正常工作電流大得多。因此，當(dāng)其他卡插入背板時，背板電壓可能會立即降至低于欠壓閾值。系統(tǒng)中其他卡上的電容CH中儲存的電荷，可用于在這個短暫的電壓驟降期間，繼續(xù)共享背板電壓，保證系統(tǒng)的正常工作。

        熱插拔控制器還需要將背板與電路板隔離，以防止操作過程中電路板本身發(fā)生故障。為此，熱插拔控制器將監(jiān)測通過其檢測電阻RS的電流。當(dāng)電阻RS上的電壓超出其閾值電壓，熱插拔控制器將關(guān)斷MOSFET。這有時被稱為斷路器功能。如果背板電壓降到低于欠壓閾值或升到超過過壓閾值，通過關(guān)斷MOSFET來停止為負(fù)載供電。

對熱插拔電路設(shè)計的考慮
    
        當(dāng)釋抑電容充電時，熱插拔控制電路中的MOSFET須承受大的功耗。對實現(xiàn)這一目的的MOSFET的選取取決于其安全工作區(qū)（SOA）曲線。

        當(dāng)電路板發(fā)生故障時，通過MOSFET的電流會顯著增加。如果MOSFET不能迅速關(guān)閉，通過MOSFET的峰值功耗可能會損壞它。熱插拔控制器還需要監(jiān)測過流情況，并觸發(fā)折返式限流機制或關(guān)閉MOSFET。通常在大電流條件下，應(yīng)在大約1us內(nèi)關(guān)閉MOSFET。一些熱插拔控制器用“重試”來使電路板重新開始工作，如果電路板發(fā)生故障后自行清除。熱插拔控制器還必須監(jiān)測低壓情況并在這類情況發(fā)生時隔離這塊電路板。

使用電源管理器件的熱插拔控制器

        許多種熱插拔控制器使用不同的電流控制和其他監(jiān)控機制。通常，一個熱插拔控制器的復(fù)雜性取決于電路板的功耗要求。下面章節(jié)說明了如何使用電源管理或平臺管理器件在實際應(yīng)用中實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的熱插拔控制器。

帶有遲滯電流限制機制的熱插拔控制器

        當(dāng)為更大功耗的電路板設(shè)計熱插拔控制器，或者有以下任一或兩種情況都存在時：
1. 熱插拔操作時，確保滿足MOSFET的安全工作區(qū)域限制。
2. 必須限制背板浪涌電流，防止插入到系統(tǒng)時，同一系統(tǒng)中的其他電路板受到干擾。
        在這兩種情況下，應(yīng)使用下面的電路（圖2）。該電路從MOSFET Q1打開開始工作。電流開始上升對電容CH充電。當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)值，熱插拔控制器中的邏輯電路會關(guān)閉MOSFET。此時，電流開始下降。當(dāng)電流低于預(yù)設(shè)值，熱插拔控制器中的邏輯電路會打開MOSFET，并且電流開始再次上升。這種通過打開/關(guān)閉MOSFET來限制電流到某一預(yù)設(shè)值的方法稱為遲滯模式。

 

圖2——帶有遲滯電流限制的熱插拔控制器

在短路條件下關(guān)閉MOSFET
        為了防止背板流出的電流過大，并且為了保護(hù)MOSFET防止短路時功耗過大，從而對MOSFET造成損害，MOSFET應(yīng)在電流達(dá)到危險電流1us內(nèi)關(guān)閉。在圖2中，當(dāng)通過5V電源的電流超過短路電流限制時，電源管理器件的數(shù)字輸入引腳IN1由晶體管Q2驅(qū)動為邏輯0。當(dāng)通過RS的電流達(dá)到短路電流時，R2兩端的電壓為0.7V。電源管理器件中的邏輯電路在200ns內(nèi)就可將MOSFET關(guān)閉。

遲滯控制機制的工作原理
        圖3顯示了MOSFET Q1柵極驅(qū)動電壓、通過MOSFET的電流以及電容CH兩端的電壓圖。當(dāng)Hyst_Ctrl信號打開，Q1的柵極電容開始充電。同時，通過MOSFET的電流也開始增加。通過MOSFET的電流通過檢測電阻RS。電流檢測放大器（CSA）輸出電流與RS分到串聯(lián)電阻R1和R2上的電壓降成正比。R1和R2兩端的壓降情況是由電源管理器件通過信號I_In（VMON引腳之一）進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)通過RS的電流超過允許的最大限值（IH）時，VMON引腳的比較器輸出翻轉(zhuǎn)。因此，CPLD中的邏輯關(guān)閉Hyst_Ctrl引腳。當(dāng)Hyst_Ctrl引腳為邏輯0時，MOSFET的柵極開始放電，通過MOSFET通道節(jié)流，并且通過MOSFET的電流開始下降。I_In引腳的電壓降低。當(dāng)電壓下降至低于I_In引腳閾值（IL），電源管理器件中的邏輯重新打開MOSFET。

        這種循環(huán)節(jié)流方式保持平均電流為電流閾值設(shè)置所決定的值。這種技術(shù)提供了線性電流控制的許多優(yōu)點，且避免了許多潛在的穩(wěn)定性的問題。

        圖3還說明了MOSFET工作的三個區(qū)域。第一個區(qū)域是當(dāng)CH電壓比較低，轉(zhuǎn)換Q1的導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)。通過Q1的平均電流大約是2A，并且由軟件設(shè)計工具中的邏輯進(jìn)行控制，用以構(gòu)建電源/平臺管理器件工作的簡單邏輯。在這個例子中，當(dāng)Q1兩端的電壓達(dá)到安全電壓值，電流從2A變?yōu)?A（可注意到CH上的電壓升高）。最后，當(dāng)CH完全充電后，Q1完全導(dǎo)通，并允許穩(wěn)定的8A工作電流。

        此時，監(jiān)測通過Q1的電流，并對短路（采取快速關(guān)斷）或?qū)^流采取類似斷路器的行動。在這兩種情況下，其他的電源管理電路由電源/平臺管理器控制，如定序和復(fù)位產(chǎn)生，并且也將發(fā)出信號或者安全關(guān)閉電路板的運行，以防止數(shù)據(jù)損壞或者更嚴(yán)重?fù)p壞的情況發(fā)生。由于熱插拔功能與其他電源管理功能在同一器件上的緊密集成，所以很可能發(fā)生這種損壞電路板的現(xiàn)象。
 


圖3——用MOSFET的遲滯電流控制

可編程功能
該電路提供許多可編程特性使其適用于各種應(yīng)用。
• 比較器閾值可以改為適合不同的背板電壓，如5V或3.3V。
• 接觸去抖周期可在50ms到2s之間變化。
• 過流和短路電流可以分別設(shè)置。
• 設(shè)計可被用于實現(xiàn)雙電源背板的雙熱插拔控制器。
• 釋抑時間從2至100ms可編程（在電源故障狀態(tài)下，MOSFET應(yīng)仍然打開）。過了這段時間，關(guān)斷MOSFET。

可用的Power Manager II或Platform Manager器件
       
        這個例子使用萊迪思的ispPAC-POWR1014A電源管理器件來實現(xiàn)遲滯控制熱插拔功能。然而，遲滯控制也可以使用LPTM-1247/12107、ispPAC-POWR1220AT8、ispPAC-POWR1014和ispPAC-POWR607器件實現(xiàn)。