熱插拔保護(hù)電路設(shè)計(jì)及實(shí)例

　　引言

　　服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、冗余存儲(chǔ)磁盤陣列（RAID），以及其它形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施等高可用性系統(tǒng)，需要在整個(gè)使用生命周期內(nèi)具有接近零的停機(jī)率。如果這種系統(tǒng)的一個(gè)部件發(fā)生了故障或是需要升級(jí)，它必須在不中斷系統(tǒng)其余部分的情況下進(jìn)行替換，在系統(tǒng)維持運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，發(fā)生故障的電路板或模塊將被移除，同時(shí)替換部件被插入。這個(gè)過(guò)程被稱為熱插拔（hot swapping）（當(dāng)模塊與系統(tǒng)軟件有相互作用時(shí)，也被稱為hot plugging1）。為了實(shí)現(xiàn)安全的熱插拔，通常使用帶交錯(cuò)引腳的連接器來(lái)保證地與電源的建立先于其它連接，另外，為了能夠容易的從帶電背板上安全的移除和插入模塊，每塊印制板（PCB）或熱插拔模塊都帶有熱插拔控制器2。在工作狀態(tài)下，控制器還可提供持續(xù)的短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。

　　盡管切斷或開啟的電流會(huì)比較大，但大電流設(shè)計(jì)的一些微妙之處卻常常未得到充分的考慮?！凹?xì)節(jié)決定成敗”，本文將重點(diǎn)分析熱插拔控制電路中各部件的功能及重要性，并深入分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用ADI公司ADM11773熱插拔控制器時(shí)的設(shè)計(jì)考慮和器件選型標(biāo)準(zhǔn)。

　　熱插拔技術(shù)

　　常用的兩種系統(tǒng)電源電壓為-48 V和+12 V，它們使用不同的熱插拔保護(hù)配置。-48 V系統(tǒng)包含低端熱插拔控制器和導(dǎo)通MOSFET；而+12 V 系統(tǒng)使用高端熱插拔控制器和導(dǎo)通MOSFET。

　　-48 V方案來(lái)源于傳統(tǒng)的通信交換系統(tǒng)技術(shù)，如高級(jí)通信計(jì)算架構(gòu)（ATCA）系統(tǒng)、光網(wǎng)絡(luò)、基站，以及刀片式服務(wù)器。48 V電源通?？捎呻姵亟M提供，選用48 V是因?yàn)殡娫醇靶盘?hào)能被傳輸至較遠(yuǎn)的距離，同時(shí)不會(huì)遭受很大損失；另外，在通常條件下，由于電平不夠高，所以不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電氣沖擊危險(xiǎn)。采用負(fù)電壓的原因是，當(dāng)設(shè)備不可避免的暴露在潮濕環(huán)境中時(shí)，在正極端接地的情況下，從陽(yáng)極到陰極的金屬離子遷移的腐蝕性較弱。

　　然而，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，距離并不是重要因素，+12 V電壓會(huì)更加合理，它常用于服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。本文將重點(diǎn)介紹+12 V系統(tǒng)。

　　熱插拔事件

　　考 慮一個(gè)具有12 V背板及一組可移除模塊的系統(tǒng)。每個(gè)模塊必須能在不影響任意相鄰模塊正常工作的條件下被移除和替換。當(dāng)沒(méi)有控制器時(shí)，每個(gè)模塊可能會(huì)對(duì)電源線造成較大的負(fù)載電容，通常在毫法量級(jí)。首次插入一個(gè)模塊時(shí)，其未充電的電容需要所有可用的電流來(lái)對(duì)其進(jìn)行充電。如果不對(duì)這個(gè)浪涌電流加以限制，這個(gè)很大的初始電流將會(huì)降低端電壓，導(dǎo)致主背板上的電壓大幅下降，使系統(tǒng)中的多個(gè)鄰近模塊復(fù)位，并破壞模塊的連接器。

　　這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)熱插拔控制器（圖1）來(lái)解決，熱插拔控制器能合理控制浪涌電流，確保安全上電間隔。上電后，熱插拔控制器還能持續(xù)監(jiān)控電源電流，在正常工作過(guò)程中避免短路和過(guò)流。

　　圖1 熱插拔應(yīng)用框圖

　　熱插拔控制器

　　ADM1177熱插拔控制器包括三個(gè)主要元件（圖2）：用作電源控制主開關(guān)的N溝道MOSFET、測(cè)量電流的檢測(cè)電阻，以及熱插拔控制器。熱插拔控制器用于實(shí)現(xiàn)控制MOSFET導(dǎo)通電流的環(huán)路，其中包含一個(gè)電流檢測(cè)放大器。

　　圖2、ADM1177功能框圖

　　熱插拔控制器內(nèi)部的電流檢測(cè)放大器用于監(jiān)控外部檢測(cè)電阻上的電壓降。這個(gè)小電壓（通常為0~100 mV）必須被放大到可用的水平。ADM1177中放大器的增益為10，那么，舉例來(lái)說(shuō)，某個(gè)給定電流產(chǎn)生的100 mV電壓降將被放大到1 V。這個(gè)電壓將與固定或可變的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果使用1V的基準(zhǔn)源，那么在檢測(cè)電阻上產(chǎn)生 100 mV（±3%）以上電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過(guò)流。因此，最大電流觸發(fā)點(diǎn)主要取決于檢測(cè)電阻、放大器增益，以及基準(zhǔn)電壓；檢測(cè)電阻值決定了最大電流。定時(shí)器電路用于設(shè)定過(guò)流持續(xù)時(shí)間。

　　ADM1177 具有軟啟動(dòng)功能，其中過(guò)流基準(zhǔn)電壓線性上升，而不是突然開啟，這使得負(fù)載電流也以類似方式跟著變化。這可通過(guò)從內(nèi)部電流源往外部電容（SS引腳）注入電流，令比較器的基準(zhǔn)輸入從0 V到1 V線性升高而實(shí)現(xiàn)。外部SS電容決定了上升的速度。如果需要，SS引腳也可以直接使用電壓驅(qū)動(dòng)，以設(shè)定最大電流限。

　　由 比較器及參考電路構(gòu)成的開啟電路用于使能器件。它精確設(shè)定了使能控制器所必須達(dá)到的電源電壓。器件一旦使能，柵極就開始充電，這種電路所使用的N溝道MOSFET的柵極電壓必須高于源極。為了在整個(gè)電源電壓（VCC）范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，熱插拔控制器集成了一個(gè)電荷泵，能夠?qū)?GATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時(shí)，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來(lái)使能MOSFET，并需要下拉電流來(lái)禁用MOSFET。較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強(qiáng)的下拉電流則用于在短路情況下快速禁用MOSFET。

　　熱插拔控制器的最后一個(gè)基本模塊為定時(shí)器，它限制過(guò)流情況下電流的調(diào)節(jié)時(shí)間。選用的MOSFET能在指定的最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用如圖3所示的圖表標(biāo)出這個(gè)范圍，或稱作安全工作區(qū)（SOA）。

　　圖3 MOSFET SOA圖

　　SOA 圖所示的是漏源電壓、漏極電流，以及MOSFET能夠承受這一功耗的持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系。例如，圖3中的MOSFET在10 V和85 A（850 W）條件下能承受1 ms，如果這一條件持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，則MOSFET可能損壞。定時(shí)器電路使用外部定時(shí)器電容來(lái)限制MOSFET經(jīng)受這些最壞條件的時(shí)間。例如，如果定時(shí)器設(shè)置為1ms，當(dāng)電流的持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 ms的限制時(shí)，電路就會(huì)暫停，并關(guān)斷MOSFET。

　　為了提供安全裕量，在ADM1177中，定時(shí)器的電流檢測(cè)電壓激活閾值被設(shè)置為92 mV，因此，當(dāng)檢測(cè)電壓接近100 mV的額定值時(shí)，熱插拔控制器就會(huì)開始計(jì)時(shí)。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例

　　由于ADM1177等控制器的設(shè)計(jì)允許一定的靈活性，因此演示其在12 V熱插拔設(shè)計(jì)實(shí)例中的應(yīng)用是很有用的。在本例中，假設(shè)：

　　控制器為ADM1177

　　VIN = 12 V （±10%）

　　VMAX = 13.2 V

　　ITRIP = 30 A

　　CLOAD = 2000 μF

　　VON = 10 V （較好的開啟控制器的電源電平）

　　IPOWERUP = 1 A （上電過(guò)程中所需的直流偏置電流）

　　為簡(jiǎn)化討論，計(jì)算中不考慮器件容差效應(yīng)。當(dāng)然，在最壞條件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮這些容差。

　　ON 引腳

　　首先考慮在電源電壓超過(guò)10 V的情況下使能控制器的情況。如果ON引腳的閾值為1.3 V，從VIN 到ON引腳的分壓器比例應(yīng)該設(shè)定為0.13:1。 為了保證準(zhǔn)確性，選擇電阻時(shí)應(yīng)考慮到引腳的漏電。

　　由10 kΩ與1.5 kΩ構(gòu)成的電阻分壓器的分壓比為0.130。

　　檢測(cè)電阻的選擇

　　檢測(cè)電阻的選取應(yīng)以開啟定時(shí)器所需的負(fù)載電流為依據(jù)。

　　其中 VSENSETIMER = 92 mV.

　　檢測(cè)電阻在30 A電流下消耗的最大功率為

　　因此，檢測(cè)電阻應(yīng)該能承受3W的功率。如果沒(méi)有具有適當(dāng)?shù)念~定功率或阻值的單個(gè)電阻，可以使用多個(gè)電阻并聯(lián)來(lái)構(gòu)成檢測(cè)電阻。

　　負(fù)載電容充電時(shí)間

　　選擇MOSFET之前必須確定負(fù)載電容充電所需的時(shí)間。在上電階段，由于負(fù)載電容的浪涌電流效應(yīng)，控制器通常會(huì)達(dá)到電流限制。如果TIMER引腳設(shè)置的時(shí)間不足以允許負(fù)載電容完成充電，那么MOSFET將被禁用，系統(tǒng)無(wú)法上電。我們可以使用下列公式來(lái)確定理想的充電時(shí)間：

　　其中 VREGMIN = 97 mV，是熱插拔控制器的最小調(diào)節(jié)電壓。

　　這個(gè)公式假定負(fù)載電流瞬時(shí)從0 A上升到30 A，這是一個(gè)理想情況。實(shí)際上，較大MOSFET的柵極電荷量QGS會(huì)限制柵極電壓的壓擺率，從而限制上電電流，因此，一定量的電荷會(huì)傳輸?shù)截?fù)載電