電信系統(tǒng)的熱插拔設(shè)計(jì):避免拼湊、支持高效設(shè)計(jì)

浪涌電流控制的“拼湊”方案

有幾種已知的峰值浪涌電流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法則僅僅是降低了熱插拔對(duì)系統(tǒng)的影響。下面對(duì)介紹了幾種拼湊式的實(shí)施方案。

預(yù)充電引腳或“早供電”(例如：電阻法)

一種控制浪涌電流的方法是使用“交錯(cuò)式引腳”，也稱為“早供電引腳”、“預(yù)充電壓”或者是“預(yù)先加載”引腳。從物理架構(gòu)上引入交錯(cuò)引腳，從而使新板卡正確插入，這種連接方式曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)。熱插拔過程中，通過串聯(lián)電阻控制浪涌電流。

預(yù)充引腳法是一種最基本的熱插拔控制方案，通過一長、一短兩個(gè)電源引腳組成，如圖4所示。長電源引腳首先接觸到電源并通過一個(gè)串聯(lián)電阻R_PRECHARGE開始為新板卡的濾波、旁路電容充電。R_PRECHARGE限制充電電流。板卡將要完全插入時(shí)，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長電源引腳的電阻R_PRECHARGE，為板卡供電提供一個(gè)低阻通道。信號(hào)引腳通常在插入板卡的最后時(shí)刻接入。


圖4. 智能連接器提供有效的熱插拔保護(hù)

該方案中，電阻R_PRECHARGE是保護(hù)器件，把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳或干擾相鄰板卡工作的水平。有些工程師還會(huì)在此架構(gòu)中對(duì)地增添一個(gè)電感和/或二極管。

本文將預(yù)充引腳法當(dāng)作一種“拼湊式”方案的主要原因是其不能控制濾波電容的充電速率。這種架構(gòu)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：短引腳相對(duì)于長引腳的線長，板卡插入系統(tǒng)的快、慢。另外，這是一種機(jī)械方案，考慮到連接器的機(jī)械容差，完全相同的引腳長度并不能確保接觸時(shí)間精確相同。實(shí)際應(yīng)用中用戶會(huì)看到上述不同變數(shù)。而且，當(dāng)短電源引腳略長、PCB被快速插入背板時(shí)，R_PRECHARGE將在輸入電容充滿電之前被短路，因此，這種看似可靠的方案實(shí)際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。

該架構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟是選擇R_PRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會(huì)直接影響系統(tǒng)工作。預(yù)充電阻的選擇必須權(quán)衡預(yù)充電流和浪涌電流。

最后，交錯(cuò)式引腳方案需要一個(gè)特殊的連接器，這在行業(yè)中也是難以接受的。

從上述討論可以看出，預(yù)充引腳架構(gòu)的作用非常有限，也很難達(dá)到精確可靠的水準(zhǔn)。它對(duì)于啟動(dòng)過程中的電流控制毫無價(jià)值，也不具備輸出過壓(OV)和欠壓(UV)監(jiān)測(cè)功能。

熱敏電阻(電流-時(shí)間特性)法

另一種熱插拔實(shí)施方案是熱敏電阻熱插拔控制法。熱敏電阻為電子元件，阻值在溫度變化時(shí)將發(fā)生顯著變化(電阻是溫度的函數(shù))。根據(jù)溫度變化進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)的電路應(yīng)用非常普遍。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻的電流-時(shí)間特性取決于其溫度特性，在其應(yīng)用電路中的功率耗散很穩(wěn)定。電流-時(shí)間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個(gè)外部MOSFET使用¹。


圖5. 基于熱敏電阻的熱插拔電路¹