空間受限型應(yīng)用中的 PMBus 熱插拔電路介紹

摘要

本文詳細介紹了熱插拔電路基礎(chǔ)，以及要求使用系統(tǒng)保護與管理 (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

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)保護和電管理，特別是能夠達到服務(wù)器市場的嚴格要求。系統(tǒng)保護與管理 (SPM) 功能專用卡邊緣的可用 PCB 基板面已變得相當狹小，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準化方法，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)計工作負擔。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。

電路規(guī)范

表 1 列出了熱插拔電路模塊的相關(guān)規(guī)范。

表 1 熱插拔電路設(shè)計規(guī)范

在這種高功率密度熱插拔電路設(shè)計中，下列局限性尤為明顯：

·成本：電氣（MOSFET、控制器、分流電阻器）和機械（連接器、PCB）組件

·PCB 面積：嚴重受限

·組件規(guī)范：體積受限（尺寸和外形）

·熱規(guī)范和散熱屬性：基本散熱

電路原理圖和組件選擇

圖 2 描述了建議熱插拔電路的原理圖。可以方便地將任何負載相關(guān)大容量存儲電容器，靠近負載放置于主板上，無需放置在熱插拔模塊上。

圖 3 數(shù)字熱插拔電路原理圖

表 2 詳細列出了最基本的電路組件的封裝尺寸和廠商建議焊墊幾何尺寸

表 2 熱插拔電路組件封裝尺寸和建議焊墊幾何尺寸

MOSFET, Q1

在我們的例子中，我們使用了 TI NexFET? CSD17309Q3 [3]，它是一種 25°C 下 4.9 mW 開態(tài)電阻的 30V 60A SON 器件。如果圖 4a 的開態(tài)電阻溫度系數(shù)約為 0.3%/°C，則 55°C 工作結(jié)溫下滿負載傳導(dǎo)損耗為 0.6W。柵極到源極齊納二極管將MOSFET VGS 維持在額定電平（正負極）。2°C/W 的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻抗 RthJ-C 表明，殼結(jié)溫升約為 1.2°C。最大額定 MOSFET 結(jié)溫為 150°C。故障狀態(tài)期間 1 ms 一次性脈沖時長條件下，圖 4b 和 4c 的曲線圖分別表示 50A、12V 時的安全工作區(qū) (SOA) 大小，以及 0.001 的標準化結(jié)到環(huán)境瞬態(tài)熱阻抗 ZthJ-A。

圖 4 CSD17309Q3[3] MOSFET: a) Rdson 隨溫度變化情況；b) SOA; c)瞬態(tài)熱阻抗

分流電阻器 RS

使用一個 2 m? 分流電阻器以后，LM25066 可提供 12.5A 的主動電流限制（25 mV典型電流限制閾值電壓），并且精確度為 ±8%。因此，電流限制設(shè)置為額定滿負載電流的 125%?？焖僮饔脭嗦菲鞴δ茉O(shè)置為 22.5A （45 Mv 典型斷路閾值電壓）。

Vishay WSL1206-18 系列分流電阻器擁有 1% 容限和 275 ppm 電阻溫度系數(shù)。全部0.5W 額定功率可用于 70°C 額定溫度，但后續(xù)線性降低至 170°C。10A 時的分流器功耗為 0.2W。

熱插拔控制器 U1

LM25066 有一個 I2C/SMBus 接口（使用 SCL、SDA/SMBA 和地址引腳連接）和一個 PMBus 兼容型指令結(jié)構(gòu)，以幫助執(zhí)行動態(tài)系統(tǒng)配置和遙測。利用三個地址引腳，設(shè)置 PMBus 地址。分別使用 1% 和 2% 精確度測量電壓、電流和功率遙測。一個二極管連接的晶體管溫度傳感器，幫助輕松、精確地進行 MOSFET 溫度測量。

TVS, Z1

電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換速率達到 100A/?s 甚至更大，因此輸入功率通路中的電源軌總線結(jié)構(gòu)不可避免地存在寄生電感。存儲于該電感中的能量傳輸至電路中其他組件，以產(chǎn)生過電壓動態(tài)行為。這種電感式電壓過沖，會損害熱插拔 MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性，除非對其進行正確的控制。按照圖 3 所示，使用一個快速響應(yīng)的單向 TVS 二極管，連接 VIN 和 GND。它主要充當需要中斷的差模電流的分流通路。

制約 TVS [4] 的一些因素包括電氣性能、組件體積和成本。一般而言，TVS 平衡電壓 VR 等于或者大于 DC 或者連續(xù)峰值工作電壓電平。斷路事件期間承受峰值脈沖電流的 TVS 鉗位電壓 VC(MAX)，應(yīng)低于 MOSFET 和控制器的絕對最大額定電壓。另外，更高額定功率的 TVS 擁有更大的電壓開銷，因為它的動態(tài)阻抗更低。因此，如果要求有更尖利的曲線圖拐點，則相比只根據(jù)峰值功率規(guī)范選擇的一般強制規(guī)定，選擇更大的 TVS 要更加有利一些。

輸入電壓范圍為 12V±10% 時，選擇 15V Vishay Esmp 系列 TVS。該器件有一個陽極和兩個陰極連接。1.1 mm 的小體積，讓它能夠安裝在 PCB 的底部。

輸入電容器 CIN

因其可以降低輸入阻抗并提供去耦功能，本地輸入旁路電容有一定的作用，但在熱插拔期間插入插件卡時對 CIN 充電的脈沖電流一般會損害電容器的可靠性，因此這種電容并不怎么實用。當電容器位于熱插拔電路前面時，許多 OEM 廠商將其看作為一個系統(tǒng)級可靠性問題，因此一般不會安裝這種電容器。

PCB 布局

圖 5 顯示了一種緊湊、高密度的電路 PCB 布局。圖 6 顯示了該模塊的照片。熱插拔解決方案共占用 300 mm2 的 PCB 面積。TVS 和可選無源組件均位于 PCB 的底部。柵極線路和分流檢測線路均短路，并且未使用輸入去耦電容器。使用表面貼裝端接，將電源和信號連接至主板。

圖 5 熱插拔電路 PCB 布局

基本組件位于頂部，內(nèi)部各層主要構(gòu)成并行接地層，用于散熱和降低傳導(dǎo)損耗。TVS 和各種可選組件位于底部。散熱過孔位于 MOSFET 漏極板和 TVS 陰極上，連接至內(nèi)部各層。請記住，表面貼裝組件焊接的 PCB 作為散熱的主要方法。同樣，產(chǎn)生熱的一些組件，可以利用 PC B層內(nèi)已經(jīng)有的一些銅質(zhì)多邊形材料、層和熱過孔來提高其熱特性。使用邊緣端接將模塊化電路板連接至主板，還可以幫助散熱。如果重復(fù)脈沖鉗制期間出現(xiàn)通過MOSFET穩(wěn)態(tài)功耗和/或 TVS 功耗，則板級散熱設(shè)計變得尤為重要。這種熱插拔控制器設(shè)計，通過在出現(xiàn)故障時鎖住電路或者在檢測到故障以后后續(xù)“重試”開始時提供足夠長的暫停時間，使這一問題得到緩解。

圖 6 熱插拔模塊照片

實驗結(jié)果

根據(jù)這種熱插拔控制器[2]實用實現(xiàn)，人們想出了各種實驗測量方法，以對電路性能進行評估：熱插拔帶電插入、電流限制和短路保護。圖 7a、7b 和 7c 分別描述了相關(guān)電路波形。

就這方面來說，它允許在檢測到故障以前形成最高可能電流，在圖 2 所示電路輸出直接聲明的低阻抗短路特別令人討厭。根據(jù)之前的一些考慮，同輸入通路串聯(lián)的寄生電感耦合高電流轉(zhuǎn)換速率，可能會在向通過 MOSFET 發(fā)送一條關(guān)閉指令以后在熱插拔控制器 VIN 和 SENSE 引腳上引起破壞性瞬態(tài)出現(xiàn)。圖 7c 突出顯示部分，使用這種模塊時斷路事件期間的電流與電壓波形，被看作是良性的。

圖 7 熱插拔電路振蕩波形：a)啟動前插入延遲熱插拔帶電插入；b）鎖閉電流限制響應(yīng)；c）輸出短路引起的熱插拔斷路事件

輸入電流達到23A（46mV分流電壓）時，如圖 7c 所示，通過 MOSFET 關(guān)閉（見綠色輸入電流線）。這時的輸入電壓有一個初始尖峰（原因是存在一些未鉗制寄生線路電感），但在約 18V 時迅速被 TVS 鉗位。

參考文獻

[1]服務(wù)器 http://www.ti.com.cn/solution/cn/server、

基站http://www.ti.com.cn/solution/cn/tetra_base_station、

ATCA 解決方案 http://www.ti.com.cn/solution/cn/atca_solutions原理圖與設(shè)計考慮因互

[2] PMBus的LM25066系統(tǒng)電源管理與保護IC http://www.ti.com.cn/product/cn/LM25066

[3] NexFET功率MOSFET技術(shù)http://www.ti.com.cn/product/cn/csd16407q5

[4]《熱插拔電路的TVS鉗制》，作者：Hagerty, Timothy，TI，刊發(fā)于 2011 年 10月《電源電子技術(shù)》