高可靠性電源系統(tǒng)的熱插拔原理和應(yīng)用
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時(shí)間：2011-09-25
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熱插拔的工作原理:熱插拔（HotSwap、HotPlug、HotDock）是指在系統(tǒng)導(dǎo)電的工作狀態(tài)下，將模組、卡或連接器插到系統(tǒng)上而不影響系統(tǒng)的操作。
圖1所示為熱插拔過(guò)程，其中左邊代表系統(tǒng)及其供電，在供電的輸出端有一個(gè)電容，右側(cè)有兩張卡，這些卡的輸入端也有電容。把卡插入系統(tǒng)之前，輸入電容沒(méi)有被充電；當(dāng)把卡插入系統(tǒng)時(shí)會(huì)有一個(gè)很大的瞬間電流向輸入電容充電，這么大的瞬時(shí)電流很可能造成系統(tǒng)供電電壓不正常。
熱插拔的目的是將高的瞬間電流控制在一個(gè)比較低而且合理的水平。其實(shí)現(xiàn)方法有幾種，其中使用PTC（正溫度系數(shù)的熱敏電阻），是最簡(jiǎn)單的方法。PTC依靠本身的電流發(fā)熱改變阻抗，從而降低瞬間電流的幅度，其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，而且長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響使用壽命。MOS管電流檢測(cè)電阻加上一些簡(jiǎn)單的電阻電容延遲線路的方法成本低，比較適于低端用途。最好的方法是采用熱插拔芯片，通常該芯片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)MOS設(shè)計(jì)和電流檢測(cè)電阻，它除了做基本熱插拔之外，還可以提供特殊功能，如控制電流上升速率、做斷電器、電源管理以及狀態(tài)報(bào)告等，能夠提升系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
熱插拔的實(shí)現(xiàn)如圖2所示，是通過(guò)在供電與負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)MOS管和一個(gè)電流檢測(cè)電阻完成的。電流檢測(cè)電阻的目的是將流過(guò)MOS管的信號(hào)傳給控制線路，控制線路再根據(jù)電流設(shè)定和計(jì)時(shí)電路來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通。
接下來(lái)以UCC3915為例說(shuō)明熱插拔過(guò)程中輸出電流電壓的情況。圖3中，左邊圖形是UCC3915的輸出電流、輸出電壓、即時(shí)電容電壓的波形，可以看到當(dāng)輸出電流上升到ITRIP時(shí)，計(jì)時(shí)電容開(kāi)始充電，電壓上升，開(kāi)始計(jì)時(shí)；如果輸出電流超過(guò)ITRIP并一直上升到IMAX（設(shè)定的最大值），由于此時(shí)MOS管工作在線性模式，將最大輸出電流限制在這一水平而不讓輸出電流上升，因此輸出電流就會(huì)被限制在IMAX。另一方面，如果計(jì)時(shí)電容電壓達(dá)到1.5V，MOS管就會(huì)斷開(kāi)，輸出電流下降到0。MOS管斷開(kāi)之后電容會(huì)被放電，直到下降到0.5V，然后MOS管重新啟動(dòng)，此時(shí)電流開(kāi)始上升。如果輸出電流還很高，則會(huì)將輸出電流限制在IMAX，經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)后電路又會(huì)將MOS管切斷，電路將按照這一原理一直工作。右圖中有兩組電壓和電流的波形，其中一組是沒(méi)有熱插拔的電壓電流波形，另外一組是加入了熱插拔的電壓電流波形。沒(méi)有加入熱插拔功能的時(shí)候，瞬間電流幅度很大，高的瞬間電流幅度造成了系統(tǒng)電壓大約1V的下降幅度；當(dāng)加入了熱插拔，這一瞬間電流被限制在一個(gè)較低的水平，對(duì)系統(tǒng)電壓影響較小，從而達(dá)到熱插拔的目的。
系統(tǒng)中加入熱插拔的好處包括：
1）在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)情況下將損壞的模塊移除，還可以在開(kāi)機(jī)情況下做更新或擴(kuò)充動(dòng)作而不影響系統(tǒng)操作；
2）由于熱插拔零件的可靠度提升，還可以將它們用做斷電器，而且因?yàn)闊岵灏文軌蜃詣?dòng)恢復(fù)，有很多熱插拔芯片為系統(tǒng)提供線路供電情況的信號(hào)，以便系統(tǒng)做故障分析，因此減少了成本。
熱插拔非常適合用于高可靠度的系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)、伺服器電源系統(tǒng)等，也可以用于儲(chǔ)存設(shè)備的電源供應(yīng)，因此這些設(shè)備需要在系統(tǒng)不斷電的情況下更換儲(chǔ)存設(shè)備或更新。熱插拔也適合于體積較小但可靠度要求很高的電源系統(tǒng)，包括一些主要的規(guī)范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
TI的熱插拔管理芯片
在選擇熱插拔芯片時(shí)，需要考慮的內(nèi)容有：
1）熱插拔管理芯片的工作電壓范圍為48V、-48V或低電壓12V以內(nèi)以及電流的限制；
2）保護(hù)的模式，可以選擇自動(dòng)恢復(fù)或者鎖死保護(hù)模式；
3）計(jì)時(shí)電路，做斷電器的功能；
4）其他工作狀態(tài)時(shí)的性能，如負(fù)載短路時(shí)需要高速響應(yīng)，負(fù)載增加時(shí)不損壞周邊器件。熱插拔啟動(dòng)的瞬間，電流上升速率能夠被控制，從而減少噪音和沖擊水平；
5）MOS管或電流檢測(cè)電阻功耗等。
TI推出了很多熱插拔產(chǎn)品，并且多個(gè)產(chǎn)品中加入了特殊功能以提升熱插拔的工作功率，這能夠使熱插拔MOS管工作在安全區(qū)，從而提高產(chǎn)品可靠度、降低成本。另外一個(gè)功能就是di/dt（電流上升的速率），這能夠減少噪音和對(duì)電路零件的沖擊。TI的熱插拔產(chǎn)品主要分為兩類：高壓熱插拔產(chǎn)品，針對(duì)48V、-48V或24V應(yīng)用；低壓熱插拔產(chǎn)品，針對(duì)3V到15V的應(yīng)用。
對(duì)于高壓熱插拔產(chǎn)品，又可以分為兩類：+48V產(chǎn)品和?48V產(chǎn)品，如圖4所示。48V的產(chǎn)品有TPS2490和2491，這個(gè)產(chǎn)品的工作電壓從9V到80V，含有一個(gè)獨(dú)特的功能叫做定功率的設(shè)定。?48V的熱插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，這個(gè)系列針對(duì)簡(jiǎn)單的熱插拔的應(yīng)用，工作電壓從?36到?80V，是8只腳的封裝。第二個(gè)?48V的熱插拔是TPS2392和TPS2393，是屬于全功能?48V的熱插拔產(chǎn)品，除了擁有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠壓和過(guò)壓的設(shè)定，提供兩只腳做連接器的檢測(cè)。
其中，定功率是TI的一項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)，圖5將定功率限制和一般的線性電流仿真電路作比較，左邊的圖為一般線性電流仿真電路曲線，MOS管的電流和VDS呈線性關(guān)系；右邊的圖為定功率曲線，從圖中公式可以看到電流與VDS呈非線性。 
當(dāng)負(fù)載增加，如果沒(méi)有定功率限制，圖6中左上端的輸出電流上升很快，輸出電壓降低，流過(guò)MOS管的功率很可能漂出SOR之外；如果加入了定功率限制功能，左下端的電壓電流波形中電流上升很快，向輸入電容充電之后下降很快，而且同時(shí)保持MOS管工作點(diǎn)一直在SOR之內(nèi)。因此只要將定功率限制設(shè)定好，就可以不考慮負(fù)載的變化，節(jié)約了MOS管成本。
負(fù)載短路時(shí)，如果沒(méi)有定功率限制，電流將會(huì)上沖并超過(guò)70A，15微秒后才能恢復(fù)到所設(shè)定的最大電流5A，這樣大的電流幅度很可能損壞線路周邊零件；加入功率限制功能后，電流上升幅度較小，只有20A，只要經(jīng)過(guò)1微秒即可降到所設(shè)定的最大電流5A，而對(duì)于1微秒、20A的脈沖，MOS管完全工作在安全工作區(qū)之內(nèi)。
對(duì)于-48V的一些熱插拔產(chǎn)品，有TPS2390、2391、2398、2399，這些芯片都只有8腳，工作電壓由-36到-80V，從應(yīng)用線路看它們的應(yīng)用很簡(jiǎn)單，基本上只要考慮最大電流設(shè)定，然后是計(jì)時(shí)電路和TI獨(dú)特的設(shè)計(jì)功能叫做電流上升的速率。在TI的控制芯片中，很多的熱插拔產(chǎn)品都會(huì)有一個(gè)叫做RAMP的引腳作電流上升速率的設(shè)定，通常通過(guò)一個(gè)電容來(lái)設(shè)定電流上升的斜率。
很多控制器的設(shè)計(jì)都是采用電壓上升斜率控制，當(dāng)熱插拔控制器啟動(dòng)的時(shí)候，輸出電壓慢慢上升，但是輸出電流上升的很快，而且輸出電流上升的幅度根據(jù)不同的電容負(fù)載而不同，如果負(fù)載電容比較大，電流脈沖幅度相對(duì)很大，如此大的脈沖電流也會(huì)影響系統(tǒng)的正常操作。TPS239X系列采用電流上升斜率的導(dǎo)通方法，在啟動(dòng)的時(shí)候，輸出電流的上升斜率可以依靠RAMP電容設(shè)定，RAMP電容越大，上升的斜率越慢，從而減少了系統(tǒng)噪音和沖擊的影響。
TI的低電壓熱插拔產(chǎn)品分為兩類：MOS管內(nèi)置的產(chǎn)品和MOS外置的產(chǎn)品，如圖7所示。MOS管內(nèi)置的產(chǎn)品包含UCC3912、UCC3915、UCC3918和TPS2420/21等，這些產(chǎn)品的最大允許流過(guò)電流是5安培，工作電壓由接近0V到12V，MOS外置的熱插拔控制芯片有單路和雙路控制芯片，兩種單路的控制芯片有TPS2330和TPS2331，雙路有TPS2300系列。
熱插拔可以應(yīng)用于很多場(chǎng)合，圖8列出了不同設(shè)計(jì)應(yīng)用所搭配的熱插拔產(chǎn)品，可以根據(jù)該表選擇適合的熱插拔器件。
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