關(guān)于智能負(fù)載切換有助于實(shí)現(xiàn)可靠的熱插拔系統(tǒng)

服務(wù)器、磁盤(pán)陣列和其他高可用性系統(tǒng)幾乎無(wú)一例外被要求在無(wú)需關(guān)閉供電系統(tǒng)的情況下更換功能模塊。系統(tǒng)工作時(shí)更換模塊通常被稱(chēng)為熱插拔。能夠提供熱插拔功能的一個(gè)關(guān)鍵因素，是對(duì)每個(gè)可互換模塊的本地電源系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾怼?/P>

為了支持熱插拔，印刷電路板等部件必須能夠可靠地執(zhí)行幾項(xiàng)操作，其中電源管理最為關(guān)鍵。當(dāng)電路板插到較大系統(tǒng)時(shí)，分配給其他系統(tǒng)和使這塊電路板初始化之前，電路板的熱插拔控制器必須確保連接器的電源是穩(wěn)定的。對(duì)于板上流過(guò)小電流，可以用MOSFET數(shù)字開(kāi)關(guān)來(lái)切換電路板上的電源。對(duì)于更大的電流(例如10安培的電流)，則需要采用更復(fù)雜的開(kāi)關(guān)策略，以避免引起總線(xiàn)級(jí)電源瞬變，導(dǎo)致?lián)p壞MOSFET電流開(kāi)關(guān)。使系統(tǒng)級(jí)性能達(dá)到最高要求具有頂級(jí)熱插拔管理功能與低級(jí)別的開(kāi)關(guān)控制功能間的緊密協(xié)調(diào)，如時(shí)序和故障檢測(cè)。雖然有可能用硬連線(xiàn)的電路實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，使用可編程系統(tǒng)器件往往是更簡(jiǎn)單和有成本效益的。

熱插拔電源開(kāi)關(guān)

熱交換模塊連接器的電源引腳通常不會(huì)直接連接到模塊的內(nèi)部電源總線(xiàn)。更普通的方案是用MOSFET或其他類(lèi)型的電源開(kāi)關(guān)器件隔離總線(xiàn)電源，如圖1所示。通過(guò)MOSFET M1，該電路控制+12V單總線(xiàn)電源連接至板端電壓，這個(gè)電路采用了萊迪思半導(dǎo)體公司的ispPAC-POWR-1014可編程電源管理器件。該電路其他部分實(shí)施的獨(dú)立功能包括：

圖1——熱插拔控制器通常采用一個(gè)功率MOSFET（M1），在內(nèi)部板正確插入插槽后，將總線(xiàn)電源和內(nèi)部板供電系統(tǒng)連接。萊迪思的ispPAC-POWR1014通過(guò)可編程邏輯和模擬功能可根據(jù)應(yīng)用需求提供智能化的控制。

1. 電壓監(jiān)控——通過(guò)電阻分壓器R1/R2和R7/R8

2. 電流檢測(cè)——通過(guò)RSENSE和一個(gè)ZXCT1009差分放大器

3. 高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)器——ispPAC器件的CHARGE_PUMP信號(hào)是方波，用于加在C2兩端的高電壓(> +12V)，可以用來(lái)完全開(kāi)啟N溝道MOSFET M1。通過(guò)Q2的緩沖SHUT_DOWN信號(hào)控制M1的柵極電壓。

采用了最少的內(nèi)部電容，模塊消耗少量的功率，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)開(kāi)啟M1至低阻的開(kāi)狀態(tài)(硬開(kāi)關(guān))來(lái)使這個(gè)模塊迅速上電。然而，模塊擁有更大功率的要求時(shí)，這將導(dǎo)致大的開(kāi)啟電流瞬間通過(guò)M1，因?yàn)楫?dāng)CL在充電過(guò)程中，在電源和地之間將出現(xiàn)瞬時(shí)的短路電流。由此產(chǎn)生的瞬間電流會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：首先，它可以導(dǎo)致總線(xiàn)電源電壓下降，有可能影響其他共享總線(xiàn)電源模塊的操作；其次，敏感性降低，瞬變電流可能會(huì)損壞MOSFET，其結(jié)果是降低了長(zhǎng)期的可靠性或完全失敗。

通過(guò)MOSFET或其他純電阻器件，充電電容(C)上升到電壓源(V)時(shí)，消耗在MOSFET上的總消耗能量為CV2/2，與最終被儲(chǔ)存在電容中的能量相同。這獨(dú)立于MOSFET導(dǎo)通電阻或需要充電的時(shí)間。而消耗的總能量是不容協(xié)商的，它消散的速率——瞬時(shí)功率是可以控制的。例如，使用小導(dǎo)通電阻的MOSFET在短時(shí)期間形成大功率的耗散，而有較大導(dǎo)通電阻的器件將經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的更低功率耗散。在最大功率耗散和需要充電模塊的本地電容之間作出平衡的關(guān)鍵，是有效的實(shí)現(xiàn)熱插拔設(shè)計(jì)。

圖2　MOSFET的安全工作區(qū)域(SOA)圖說(shuō)明了器件在漏極-源極電壓和漏極電流組合下的安全極限。不同的控制策略可以用來(lái)避免當(dāng)MOSFET用作熱插拔負(fù)載開(kāi)關(guān)時(shí)被過(guò)分驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)安全工作區(qū)(SOA)圖(見(jiàn)圖2)，安全耗散給定的功率數(shù)額的MOSFET時(shí)間通常在器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)上進(jìn)行了說(shuō)明。根據(jù)不同組合的漏極到源極電壓(VDS)和漏電流(ID)，SOA圖表說(shuō)明了MOSFET仍然可以安全保持偏置的最大時(shí)間。在這個(gè)SOA圖中，重疊的VDS和ID的“軌跡”對(duì)應(yīng)要討論的控制方案。

如果迅速地開(kāi)關(guān)MOSFET(圖2所示的黑色“硬開(kāi)關(guān)”曲線(xiàn))，就會(huì)最初化至VDS的最大值，ID只受到溝道電阻和寄生阻抗的限制，諸如PCB走線(xiàn)和電感。當(dāng)負(fù)載電容充電時(shí)，MOSFET的工作點(diǎn)向左移動(dòng)到更有利的情況。如果工作點(diǎn)不能夠迅速地轉(zhuǎn)變，MOSFET可能損壞或毀壞。而即使選擇了一個(gè)具有足夠大功率耗散功能的MOSFET，初始浪涌電流可能會(huì)破壞總線(xiàn)電源的問(wèn)題仍然存在。

浪涌電流控制

避免突然開(kāi)啟MOSFET所帶來(lái)問(wèn)題的一個(gè)常用技術(shù)是柵極電壓逐漸上升，以足夠慢的速率使負(fù)載電容的電壓跟蹤最小VGS電壓。這確保了工作點(diǎn)將保持在低電流區(qū)域，接近SOA圖的底部。通過(guò)適當(dāng)選擇C2的值，可以很容易地用圖1的電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)策略。

雖然這種方案實(shí)現(xiàn)是比較簡(jiǎn)單的，在上述方案中的斜坡上升率必須有大的裕度，以適應(yīng)MOSFET和電源總線(xiàn)負(fù)載電容的變化。對(duì)于小電流至中等電流的應(yīng)用，指定一個(gè)稍大的MOSFET可能不是一筆很大的額外費(fèi)用，也許可以通過(guò)簡(jiǎn)化的控制成本來(lái)進(jìn)行調(diào)整。在其他情況下，必須對(duì)板上的大電容進(jìn)行充電，這種做法可能會(huì)導(dǎo)致很大的時(shí)間延遲，這是指當(dāng)一個(gè)模塊插入到更大的系統(tǒng)時(shí)，以及當(dāng)它準(zhǔn)備開(kāi)始運(yùn)作時(shí)之間的時(shí)間。

采用電流檢測(cè)硬件，使用負(fù)反饋控制，就有可能保持恒定電流通過(guò)SOA。通過(guò)提供精確的漏電流調(diào)節(jié)，MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡(圖2，簡(jiǎn)單的電流限制)可以設(shè)定為更大的電流，要比在開(kāi)環(huán)方式下前一種單純的增加?xùn)艠O電壓情況更加謹(jǐn)慎。因?yàn)槌鲇谠\斷目的常常需要監(jiān)測(cè)電流，電流檢測(cè)硬件可能已經(jīng)用于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，在這種情況下只需要增加控制邏輯。

圖3周期性的遲滯電流限制允許MOSFET電流增加到一個(gè)可允許的最大值，然后再降低回稍低的水平。這種技術(shù)提供了線(xiàn)性電流控制的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了許多潛在的穩(wěn)定性問(wèn)題。

然而，可靠地實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性電流模式控制可能會(huì)非常棘手，可能有不穩(wěn)定和不受控制的振蕩情況。另一種方法是使用一個(gè)遲滯控制電路(圖3)，其中MOSFET電流保持在更低和更高的閾值之間。在遲滯控制方案中，MOSFET柵極電壓斜坡上升直到漏電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的上限值。在這一點(diǎn)上，柵極電壓下降直到漏電流低于預(yù)定的低閾值。然后重復(fù)這一過(guò)程，漏極電流在兩個(gè)閾值之間變化。

雖然遲滯控制可用少量分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以只用ispPAC可編程電源管理實(shí)現(xiàn)，如圖1中的電路。電源管理器件的每個(gè)電壓監(jiān)控引腳都支持有獨(dú)立的可編程高壓和低壓閾值的雙比較器功能。針對(duì)MOSFET的柵極電壓和相應(yīng)的漏極電流，編程這個(gè)器件的FET驅(qū)動(dòng)器輸出至較大的電流，提供了更快的速度，但仍控制了上升時(shí)間。用可編程器件來(lái)管理電流控制過(guò)程的另一個(gè)好處是它很簡(jiǎn)單，充分整合熱插拔控制邏輯且能滿(mǎn)足電路板所需的正常工作要求。例如，可以對(duì)電源管理器件編程，允許電路板初始化的短時(shí)間內(nèi)有更大的電流，然后無(wú)縫地轉(zhuǎn)換到正常的工作模式，MOSFET完全開(kāi)啟，并以較低的閾值監(jiān)測(cè)電流，檢測(cè)電路板的故障情況。

優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能

電源管理器件的可編程特性支持用戶(hù)實(shí)現(xiàn)更高的優(yōu)化控制技術(shù)，而幾乎沒(méi)有或增加額外的成本。這樣的技術(shù)實(shí)例是在兩個(gè)不同的階段對(duì)電路板上的電容充電，小電流的初始階段和大電流的最后階段，如圖4所示。

圖4兩相開(kāi)關(guān)的原理是開(kāi)關(guān)MOSFET在VDS高電壓時(shí)，以較小電流對(duì)板上電容進(jìn)行充電，然后當(dāng)電容部分充電后，電流增加，MOSFET電壓VDS降低。

這個(gè)復(fù)雜性的價(jià)值在于它優(yōu)化了充電速率，使MOSFET的工作點(diǎn)更緊密地跟隨該器件的SOA曲線(xiàn)約束(如圖2中2個(gè)階段的電流限制圖)。這對(duì)先前闡述的恒流充電方案有兩個(gè)好處。首先，通過(guò)充電周期切換到一個(gè)更大電流的中間，需要更短的時(shí)間使負(fù)載電容上升到工作電壓；第二，這個(gè)方案只適用于MOSFET工作在更大電流的情況，當(dāng)器件的VDS相對(duì)較小，功耗最小時(shí)。這使得設(shè)計(jì)人員根據(jù)所要求的性能指定更小、更便宜的MOSFET。盡管該技術(shù)是直接用可編程控制器實(shí)現(xiàn)熱插拔，如ispPAC電源管理器件，如果是用固定功能的熱插拔控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，就需要大量額外的硬件和設(shè)計(jì)投入