使用熱插拔控制器增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性
簡介
在電子產(chǎn)品中,在不中斷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下安全地插入和拔出電源模塊的能力至關(guān)重要。眾所周知,熱插拔1已成為從數(shù)據(jù)中心到電信系統(tǒng)等許多應(yīng)用的基本功能。為了確保系統(tǒng)在這些操作期間的安全性和完整性,需要專門的控制器。ADI公司的LTC4287在這類產(chǎn)品中具有明顯優(yōu)勢。本文深入探討了這款熱插拔控制器在系統(tǒng)級應(yīng)用中的性能、特性、益處和優(yōu)勢。
LTC4287:強(qiáng)大的熱插拔控制器
LTC4287是一款多功能的高性能熱插拔控制器,專為在系統(tǒng)實(shí)時(shí)添加或更換期間保護(hù)系統(tǒng)和插入的組件而設(shè)計(jì)。憑借全面的功能和強(qiáng)大的性能,LTC4287成為了許多關(guān)鍵應(yīng)用中的重要組成部分。
熱插拔要點(diǎn)
熱插拔涉及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)插入或拔出組件(例如卡、電源或驅(qū)動器)的行為。這個(gè)過程充滿挑戰(zhàn),因?yàn)樾枰幚砉╇娷壊⒋_保電壓水平保持在安全范圍內(nèi)。熱插拔控制器通過提供以下主要功能,出色地解決了這些挑戰(zhàn):
使用RC熱電路實(shí)現(xiàn)精確限流
熱插拔可提供精確限流,在熱插拔應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此功能可確保插入的組件所消耗的電流保持在安全范圍內(nèi)。一旦突發(fā)大沖擊電流或故障情況,控制器會迅速做出反應(yīng),保護(hù)系統(tǒng)免受過流事件的影響。用戶可以選擇使用RC熱電路,該電路模擬MOSFET從節(jié)到印刷電路板(PCB)的熱傳導(dǎo),從而進(jìn)一步提高限流的準(zhǔn)確性。
故障檢測與保護(hù)
在熱插拔場景中,可能由于未對準(zhǔn)、組件損壞或其他因素而出現(xiàn)故障。熱插拔控制器配備全面的故障檢測機(jī)制,包括欠壓和過壓保護(hù)。它會持續(xù)監(jiān)測輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓水平,立即采取行動隔離故障并保護(hù)系統(tǒng)。
沖擊電流控制
在插入電源裝置(PSU)期間,由于電容負(fù)載,可能會產(chǎn)生高沖擊電流,這可能會導(dǎo)致電壓下降并影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。熱插拔控制器集成了沖擊電流控制功能,可在插入過程中平穩(wěn)增加電流,以減輕電壓波動。這種平穩(wěn)的啟動過程可確保系統(tǒng)中的其他組件保持運(yùn)行而不中斷。
圖1 54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的示意圖
輸出電壓和電流監(jiān)測
為了確保插入的PSU正常運(yùn)行,熱插拔控制器通過集成的PMBus?對輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可傳輸至LTpowerPlay?進(jìn)行分析和評估。此監(jiān)測功能可以快速識別PSU行為中的任何異常,從而有助于快速響應(yīng)潛在問題。
綜合控制
這款熱插拔控制器提供了良好的靈活性和可配置性。設(shè)計(jì)人員可對設(shè)置進(jìn)行自定義,以滿足其熱插拔系統(tǒng)的特定要求。這種適應(yīng)性在具有不同PSU需求的應(yīng)用中尤其寶貴。
系統(tǒng)級性能優(yōu)勢
現(xiàn)在,我們來看一下在系統(tǒng)級應(yīng)用(特別是54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用)中加入熱插拔控制器的優(yōu)勢和益處。參考圖1。
系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)專門針對并行模式功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,從而能夠通過熱插拔控制器從帶電背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模塊。在正常運(yùn)行期間,電荷泵和柵極驅(qū)動器激活M1和M2 MOSFET,促進(jìn)電力向負(fù)載傳輸。這些柵極驅(qū)動器由熱插拔控制器電源(VDD)引腳供電,并包括內(nèi)置14 V柵極-源極鉗位,用于外部MOSFET保護(hù)。在熱插拔控制器中,通過一組比較器(包括欠壓(UV)、過壓(OV)和啟用(EN)比較器)在啟用柵極之前驗(yàn)證外部條件。三個(gè)欠壓保護(hù)電路(UVLO1、UVLO2和UVLO3)會驗(yàn)證輸入電源并在內(nèi)部生成5 V電源(INTVCC和DVCC)。當(dāng)DVCC超過閾值時(shí),UVLO3還會觸發(fā)邏輯電路的上電初始化,并將EEPROM內(nèi)容讀取到操作存儲器中。在正常運(yùn)行期間,熱插拔控制器會在啟動去抖延遲后激活外部N溝道MOSFET。
LTC4287提供雙級電流保護(hù),利用開爾文電流輸入(SENSE+和SENSE-)引腳來監(jiān)測檢測電阻上的負(fù)載電流。它具有主動限流和快速限流比較器閾值??焖傧蘖鏖撝凳冀K設(shè)置為標(biāo)稱限流的三倍。當(dāng)檢測電壓達(dá)到限流閾值時(shí),相關(guān)柵極被拉低以接合主動限流環(huán)路。如果發(fā)生突然短路或輸入尖峰達(dá)到快速限流比較器閾值,則相應(yīng)的柵極立即被拉至源極,從而限制峰值電流。一旦檢測電壓恢復(fù)到限流閾值,主動限流環(huán)路就會接管電流控制。
圖2 BR-080064,適用于54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計(jì)硬件
圖3 適用于連接到LTpowerPlay的54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計(jì)
增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性
在系統(tǒng)應(yīng)用中,可靠性至關(guān)重要。54 V至12 V PSU模塊的熱插拔是一個(gè)非常精細(xì)的操作過程,任何錯誤或故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)或組件損壞。熱插拔控制器的精確限流和故障檢測機(jī)制確保熱插拔操作安全進(jìn)行,從而降低系統(tǒng)中斷和組件故障的風(fēng)險(xiǎn)。
圖2所示系統(tǒng)應(yīng)用參考設(shè)計(jì)重點(diǎn)展示了LTC4287以及兩個(gè)能夠處理高達(dá)4 kW功率的54 V至12 V PSU模塊。其中還包含可通過LTpowerPlay?(使用DC1613)訪問的PMBus通信功能,以增強(qiáng)控制和監(jiān)測功能。
無縫維護(hù)
在必須保障連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用中,通常需要定期維護(hù)或更換組件。這款熱插拔控制器的沖擊電流控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測功能使PSU能夠順利插入和拔出。這意味著無需關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)即可執(zhí)行維護(hù)操作,從而最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并最大限度地提高系統(tǒng)可用性。
降低擁有成本
無需中斷系統(tǒng)運(yùn)行即可進(jìn)行組件熱插拔,從而可以顯著節(jié)省成本,可能降低30%至50%。關(guān)鍵應(yīng)用的停機(jī)可能會導(dǎo)致收入或生產(chǎn)力的損失。通過部署熱插拔控制器,系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為最大限度地減少或消除此類中斷,從而降低長期總體擁有成本。
廣泛適用于多種應(yīng)用
熱插拔控制器并不局限于特定的行業(yè)或應(yīng)用。它可以集成到各種系統(tǒng)中,包括數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動化等。它具有良好的適應(yīng)性,能夠在不同場景中提供保護(hù)和控制,因而成為系統(tǒng)級應(yīng)用的多功能解決方案。
實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集
除了保護(hù)功能外,熱插拔控制器還提供實(shí)時(shí)監(jiān)測功能,可提供豐富的信息。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)診斷、性能優(yōu)化和預(yù)測性維護(hù)非常有價(jià)值。通過分析這些數(shù)據(jù),系統(tǒng)操作員可以做出明智的決策,并在潛在問題惡化之前主動加以解決。
系統(tǒng)應(yīng)用示例中包含一個(gè)熱插拔控制器和PMBus協(xié)議通信(參見圖3),提供了用戶友好的可訪問性。當(dāng)配置了GPIO引腳時(shí),可以實(shí)現(xiàn)讀取A/D寄存器、故障檢測和通過ALERT#中斷進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)等任務(wù)。PMBus設(shè)備的輔助地址由ADR0和ADR1引腳決定,每個(gè)引腳提供三種狀態(tài)(接地、INTVCC或保持開路),總共提供9個(gè)設(shè)備地址。
簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
這款熱插拔控制器功能全面,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡化。設(shè)計(jì)人員可以依靠這款控制器來管理熱插拔操作,從而降低系統(tǒng)其余部分的復(fù)雜性。這種簡化可以縮短開發(fā)周期并減少設(shè)計(jì)工作量。
54V至12V系統(tǒng)解決方案的電氣性能和結(jié)果
在系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)中,對這款熱插拔控制器在多種測試條件下的性能進(jìn)行了評估:
參數(shù):系統(tǒng)應(yīng)用的電氣指標(biāo)
輸入電壓范圍:40 V至60 V
負(fù)載電流:0 A至130 A
工作溫度:0°C至60°C
在評估熱插拔控制器時(shí),根據(jù)特定應(yīng)用的要求,需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)。以下是一些需要評估的重要參數(shù):
過流保護(hù)
熱插拔控制器采用多級方法來提供強(qiáng)大的過流保護(hù)。首先,它采用具有預(yù)設(shè)閾值的主動限流(ACL)。
圖4 限流保護(hù),輸入電壓40V,負(fù)載電流0A至130A
圖5 短路保護(hù)。輸入電壓為40V,負(fù)載電流為100A至130A
當(dāng)負(fù)載電流超過此限制時(shí),控制器會主動調(diào)節(jié)輸出電壓,抑制電流并防止問題進(jìn)一步加重。其次,快速限流比較器作為主動限制的補(bǔ)充,能夠立即對突發(fā)的高幅度過流(例如短路)做出反應(yīng)。它會迅速拉低MOSFET柵極,限制峰值電流以保護(hù)電路免受損壞。此外,這款控制器支持故障報(bào)告和恢復(fù)。如果發(fā)生過流,它會通過指定的通用引腳(GPIO)報(bào)告故障,這些引腳可以與LED相連以指示故障。故障解決后,它就會促進(jìn)受控恢復(fù),逐步恢復(fù)對負(fù)載的供電,以安全地恢復(fù)正常運(yùn)行。圖4顯示了如何對參考設(shè)計(jì)進(jìn)行編程,以便在線路電流超過128 A時(shí)快速做出反應(yīng),同時(shí)鎖定輸出以防止發(fā)生潛在的危害。當(dāng)達(dá)到限流時(shí),熱插拔控制器的故障引腳會被激活。
短路保護(hù)
LTC4287配備多級短路保護(hù)系統(tǒng),以確保短路事件期間PSU模塊的安全。首先,它能夠立即響應(yīng)短路,具有快速限流比較器,可對突發(fā)的高幅度短路情況做出迅速反應(yīng),包括快速下拉MOSFET開關(guān)柵極以限制峰值電流并保護(hù)電路。此外,還實(shí)施了主動限流機(jī)制,為正常運(yùn)行建立了預(yù)定義的限流閾值。如果短路電流超過該閾值,控制器將通過主動調(diào)節(jié)輸出電壓進(jìn)行干預(yù),以將電流降低至安全水平。
如圖5所示,如果在正常運(yùn)行期間發(fā)生短路,這款熱插拔控制器會立即斷開輸入與輸出,從而提供即時(shí)保護(hù)。然后,它會發(fā)送一個(gè)信號,表示已觸發(fā)故障,具體以故障信號和電源良好(PGOOD)信號表示。這確保了輸入線路之間能夠得到充分的隔離。這種綜合方法可保證系統(tǒng)在短路情況下的安全性和彈性。
沖擊電流控制
熱插拔控制器中集成了熱沖擊電流管理,以限制熱插拔FET上因上電期間電流浪涌而引起的熱相關(guān)故障,確保安全啟動。它通過測量串聯(lián)電流檢測電阻兩端的電壓來檢測電流的上升情況。軟啟動電路逐漸增加輸出電壓,最大限度地降低超出MOSFET安全工作區(qū)(SOA)的電壓上升速率和電流尖峰。當(dāng)檢測到啟動短路時(shí),定時(shí)器(TMR)引腳中編程的SOA定時(shí)器輸出會逐漸增加到大于2.56 V的TMR閾值。熱插拔控制器會自動斷開線路而不激活保護(hù)MOSFET,如圖6所示。這樣就保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這些關(guān)鍵元件可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)有序的上電過程,提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命,同時(shí)減少電壓尖峰和浪涌。
圖6 40 V輸入電壓時(shí)的啟動短路保護(hù)
圖7 33 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)欠壓保護(hù)(UVP)
圖8 64 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)過壓保護(hù)(OVP)
圖9 輸入電壓為40V和60V時(shí),2kW負(fù)載下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
總之,這款熱插拔控制器通過管理熱沖擊電流和限制浪涌來確保安全啟動。它使用電流檢測電阻來檢測增加量,采用軟啟動電路來最大限度地減少尖峰,并在發(fā)生啟動短路時(shí)自動斷開線路,從而增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。這些元件可保證平穩(wěn)上電,提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命,同時(shí)降低電壓尖峰。
電壓監(jiān)測
熱插拔控制器具有內(nèi)置電壓監(jiān)測功能,可確保54 V輸入到12 V系統(tǒng)應(yīng)用的安全穩(wěn)定。它會持續(xù)跟蹤電壓水平以進(jìn)行欠壓和過壓檢測,提供關(guān)鍵保護(hù)。它會評估熱插拔MOSFET后的輸入和輸出電壓,并在電壓低于欠壓閾值時(shí)做出響應(yīng),從而防止出現(xiàn)操作問題。同樣,如果它感應(yīng)到電壓超過了過壓限制,就會啟動保護(hù)措施來保護(hù)組件免受潛在損壞。這種主動響應(yīng)可防止因電壓波動而導(dǎo)致的性能問題,從而確保系統(tǒng)的可靠性和耐用性。電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在控制器內(nèi)置的EEPROM中。
圖7說明了熱插拔控制器的欠壓保護(hù)機(jī)制,當(dāng)UV引腳的電壓低于閾值(測量值為2.14 V,相當(dāng)于PVIN電壓33 V)時(shí),會使設(shè)備停止運(yùn)行。圖8則顯示了過壓保護(hù)機(jī)制,當(dāng)OV引腳的電壓超過閾值(測量值為2.47 V,對應(yīng)PVIN電壓為64 V)時(shí),會關(guān)閉設(shè)備。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常時(shí),控制器會自動重試并恢復(fù)??梢酝ㄟ^修改UV和OV引腳上的電阻分壓器值來調(diào)整閾值。
溫度監(jiān)測
LTC4287利用遠(yuǎn)程晶體管作為傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。這樣便可以收集溫度數(shù)據(jù)以進(jìn)行系統(tǒng)健康評估和保護(hù)。
故障報(bào)告和指示
借助LTpowerPlay,這款熱插拔控制器可以有效地監(jiān)測和解決系統(tǒng)中的任何故障和異常,確保有效的管理和維護(hù)。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
這款熱插拔控制器具有出色的瞬態(tài)響應(yīng),可確保動態(tài)負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它會持續(xù)監(jiān)測輸出電壓,防止電壓波動并保護(hù)系統(tǒng)中的敏感元件,如圖9所示。
準(zhǔn)確性和精確度
這款熱插拔控制器結(jié)合了高質(zhì)量組件、校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、降噪、反饋回路和數(shù)字通信功能,實(shí)現(xiàn)了出色的準(zhǔn)確性和精確度。這些特性共同確保了測量的可靠和一致,有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用的整體準(zhǔn)確性和精確度。圖10顯示了LTC4287輸出功率讀數(shù)與測試設(shè)備測得的數(shù)據(jù)的比較。
圖10 2 kW和4 kW功率負(fù)載之間的百分比誤差精度
校準(zhǔn)過程對于確保熱插拔控制器測量的準(zhǔn)確性和精確度至關(guān)重要,這對于重視數(shù)據(jù)可靠性和一致性的系統(tǒng)應(yīng)用尤為重要。通過在制造過程中校準(zhǔn)控制器并提供用戶校準(zhǔn)選項(xiàng),LTC4287提供非常準(zhǔn)確和精確的電壓和電流測量,有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用和PSU模塊的整體性能和可靠性。
通過仔細(xì)評估可用參數(shù)和測試條件,這款熱插拔控制器可滿足系統(tǒng)應(yīng)用和其他大電流應(yīng)用的要求。
此外,還應(yīng)考慮加入一個(gè)強(qiáng)大的輔助電路,以便有效地為系統(tǒng)內(nèi)的各種內(nèi)部外設(shè)供電。在系統(tǒng)應(yīng)用中,參考設(shè)計(jì)已經(jīng)利用LT8631來提供穩(wěn)定的5 V電壓,利用LT3009確??煽康?.3 V供電。
結(jié)論
ADI的LTC4287熱插拔控制器是一款強(qiáng)大的電源管理產(chǎn)品,可提高系統(tǒng)可靠性、減少停機(jī)時(shí)間并在系統(tǒng)級提供眾多優(yōu)勢。它具有故障保護(hù)、控制沖擊電流和提供實(shí)時(shí)監(jiān)測的能力,是各個(gè)行業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用中不可或缺的組件。通過引入這款熱插拔控制器,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確保順暢、高效的熱插拔操作,從而提高系統(tǒng)可用性并降低總體擁有成本。
此外,本文還初步介紹了54 V至12 V PSU模塊的參考設(shè)計(jì);相關(guān)團(tuán)隊(duì)正致力于撰寫一篇詳盡的文章來闡述優(yōu)勢和益處。
參考文獻(xiàn)
1“了解、使用和選擇熱插拔控制器”。ADI公司,2003年12月。
作者簡介
Christian Cruz是ADI(菲律賓)公司的產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子和電源控制固件設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有14年的工程經(jīng)驗(yàn),包括電源管理解決方案開發(fā)及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司,目前專注于研發(fā)消費(fèi)和云端基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部及系統(tǒng)通信應(yīng)用所需的電源管理解決方案。
Karl Audison Cabas自2020年9月起擔(dān)任ADI公司的應(yīng)用工程師,專注于電源應(yīng)用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和瑪布亞大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。他在DC-DC電源轉(zhuǎn)換器方面擁有4年多的經(jīng)驗(yàn)。他之前的職責(zé)是處理客戶問詢以及與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的設(shè)計(jì)問題。他目前擔(dān)任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。
Ralph Clarenz Matoci?os畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila(PLM),獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有一年多的工程經(jīng)驗(yàn),包括電池管理系統(tǒng)開發(fā)和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2022年加入ADI,目前擔(dān)任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。
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