空間受限型應(yīng)用中的PMBus熱插拔電路介紹

摘要

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

高密度系統(tǒng)的熱插拔電路保護(hù)

許多分布式電源系統(tǒng)（如圖 1 所示）都集成了總線轉(zhuǎn)換器、負(fù)載點 (POL) 與線性穩(wěn)壓器，專用于高性能刀片式服務(wù)器、ATCA 解決方案和通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)[1]。這些系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于一些日益小型化的實現(xiàn)中，旨在降低成本。為了保證這些系統(tǒng)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(tǒng)保護(hù)和電管理，特別是能夠達(dá)到服務(wù)器市場的嚴(yán)格要求。系統(tǒng)保護(hù)與管理 (SPM) 功能專用卡邊緣的可用 PCB 基板面已變得相當(dāng)狹小，這并不讓人感到意外。這種情況帶來的結(jié)果是，設(shè)計工作主要集中在了高功率密度、低成本熱插拔電路實現(xiàn)上面。


圖 1 電信系統(tǒng)分布式電源架構(gòu)例子

在這類應(yīng)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(hù)以及高精確度電氣（電壓、電流、功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)測量，目的是提供實時的系統(tǒng)模擬或數(shù)字域遙測。特別是，如果服務(wù)器機架一個線卡出現(xiàn)故障，該故障應(yīng)隔離在該特定線卡，不會影響系統(tǒng)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(lián)，從而實現(xiàn)“開/關(guān)”功能和電流檢測低電阻分流器。

圖 2 顯示了典型服務(wù)器系統(tǒng)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(xì)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(tǒng)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(zhǔn)控制器。在 -48V 底板系統(tǒng)中，該控制器參考至 48V 電壓軌，并且根據(jù)要求上下浮動。在所有情況下，當(dāng)檢測到故障 Q1 被熱插拔控制器迅速關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化方法，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)相同、超緊湊、獨立自主、經(jīng)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(tǒng)和應(yīng)用之間靈活地部署使用，從而極大地減輕了系統(tǒng)工程師的設(shè)計工作負(fù)擔(dān)。熱插拔模塊通常以一種中間夾層的方式平行堆疊在系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。另外，需要注意的是，主板通過模塊的終端連接提供導(dǎo)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(yīng)用環(huán)境中的自然或者強制對流。