【導(dǎo)讀】高可用性系統(tǒng)（如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、獨(dú)立磁盤冗余陣列 （RAID） 存儲(chǔ)和其他形式的通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）需要設(shè)計(jì)為在其整個(gè)使用壽命期間幾乎為零停機(jī)時(shí)間。如果此類系統(tǒng)的某個(gè)組件出現(xiàn)故障或需要更新，則必須在不中斷系統(tǒng)其余部分的情況下更換該組件。在系統(tǒng)保持正常運(yùn)行的同時(shí)，必須卸下電路板或模塊并插入其替換件。此過程稱為熱插拔，或在某些情況下稱為熱插拔（模塊與系統(tǒng)軟件交互）。
高可用性系統(tǒng)（如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、獨(dú)立磁盤冗余陣列 （RAID） 存儲(chǔ)和其他形式的通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)）需要設(shè)計(jì)為在其整個(gè)使用壽命期間幾乎為零停機(jī)時(shí)間。如果此類系統(tǒng)的某個(gè)組件出現(xiàn)故障或需要更新，則必須在不中斷系統(tǒng)其余部分的情況下更換該組件。在系統(tǒng)保持正常運(yùn)行的同時(shí)，必須卸下電路板或模塊并插入其替換件。此過程稱為熱插拔，或在某些情況下稱為熱插拔（模塊與系統(tǒng)軟件交互）。為了安全地?zé)岵灏?，通常使用具有交錯(cuò)引腳的連接器來確保在進(jìn)行其他連接之前建立接地和本地電源。此外，每個(gè)印刷電路板 （PCB） 或插入式模塊都有一個(gè)板載熱插拔控制器，便于從帶電背板上安全拆卸和插入模塊。在運(yùn)行時(shí)，控制器還提供連續(xù)保護(hù)，防止短路和過流故障。
雖然必須中斷和啟動(dòng)的電流可能很大，但大電流設(shè)計(jì)的一些微妙之處往往很少被考慮。由于“細(xì)節(jié)決定成敗”，本文將重點(diǎn)介紹熱插拔控制電路組件的功能和意義，并深入探討使用ADI公司ADM1177熱插拔控制器的設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)考慮因素和最佳元件選擇標(biāo)準(zhǔn)。
熱插拔拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
高可用性系統(tǒng)中常見的兩種系統(tǒng)功率級(jí)別（–48 V和+12 V）使用不同的熱插拔保護(hù)配置。–48V 系統(tǒng)集成了低側(cè)熱插拔控制和調(diào)整 MOSFET;+12 V系統(tǒng)使用高邊控制器和調(diào)整MOSFET。
–48-V方法起源于傳統(tǒng)的電信交換系統(tǒng)技術(shù)。在高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu) （ATCA） 系統(tǒng)、光網(wǎng)絡(luò)、基站和刀片服務(wù)器中可以看到示例。作為通常從電池組獲得的電壓，選擇48 V是因?yàn)楣β屎托盘?hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸而不會(huì)造成重大損失，但電平不足以在正常條件下冒嚴(yán)重電擊的風(fēng)險(xiǎn)。之所以選擇負(fù)極性，是因?yàn)樵诒┞队谠貢r(shí)不可避免地存在水分的情況下，金屬離子從陽極到陰極的遷移在正極端子接地的情況下腐蝕性要小得多。
然而，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，距離不是重要因素，+12 V電源更合理，因此在刀片服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中很受歡迎。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 12V 背板和可拆卸模塊機(jī)架的系統(tǒng)。每個(gè)模塊必須能夠撤回和更換，而不會(huì)影響機(jī)架中任何相鄰模塊的正常運(yùn)行。在沒有控制器的情況下，每個(gè)模塊可能會(huì)向電源線提供相當(dāng)大的負(fù)載電容，通常為毫法拉量級(jí)。首次插入模塊時(shí)，其未充電的電容器需要盡可能多的電流來為負(fù)載充電。如果不限制此浪涌電流，則可能會(huì)降低端電壓，導(dǎo)致主背板上出現(xiàn)明顯的掉電，重置系統(tǒng)上的許多相鄰模塊，并因高初始電流而損壞模塊的連接器。
這可以通過熱插拔控制器（圖1）來解決，該控制器仔細(xì)控制浪涌電流以確保安全的上電間隔。熱插拔控制器還將在上電后持續(xù)監(jiān)控電源電流，以防止正常工作期間出現(xiàn)短路和過流情況。
圖1.熱插拔應(yīng)用圖。
熱插拔控制器
ADM1177熱插拔控制器由三個(gè)主要元件組成（圖2）：用作主功率控制開關(guān)的N溝道MOSFET、測(cè)量電流的檢測(cè)電阻和熱插拔控制器（包括電流檢測(cè)放大器），完成環(huán)路以控制MOSFET的通電流。
圖2.ADM1177功能框圖
在熱插拔控制器內(nèi)部，電流檢測(cè)放大器監(jiān)視外部檢測(cè)電阻兩端的壓降。這個(gè)小電壓（通常范圍為0 mV至100 mV）必須放大到有用的水平。ADM1177中的放大器增益為10，因此，例如，給定電流量產(chǎn)生的100 mV壓降將被放大至1 V。將該電壓與固定或可變基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。采用1 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，分流器兩端產(chǎn)生大于100 mV （±3%）電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過流。因此，最大電流跳變點(diǎn)主要由分流電阻、放大器增益和基準(zhǔn)電壓決定;分流電阻值設(shè)置最大電流。TIMER 電路對(duì)給定過流條件可能存在的時(shí)間長度設(shè)置限制。
ADM1177具有軟啟動(dòng)功能，其中過流基準(zhǔn)電壓源線性上升，而不是突然導(dǎo)通，迫使負(fù)載電流以類似的方式跟隨。這是通過將來自內(nèi)部電流源的電流注入外部電容（SS引腳）來實(shí)現(xiàn)的，以將比較器的基準(zhǔn)輸入從0 V線性斜坡上升至1 V。外部SS電容設(shè)定此斜坡的速率。如有必要，SS引腳也可以由電壓直接驅(qū)動(dòng)，以設(shè)置最大電流限值。
由比較器和基準(zhǔn)電路組成的ON電路使能該器件。它可以精確地設(shè)置電源必須達(dá)到的電壓，以啟用控制器。設(shè)備啟用后，門開始充電。此類電路中使用的N溝道MOSFET的柵極必須位于源極上方。為了在電源電壓（VCC）范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，熱插拔控制器具有一個(gè)集成電荷泵，能夠?qū)ATE引腳保持在比VCC高10 V之多。GATE 引腳需要一個(gè)電荷泵浦上拉電流來使能 MOSFET，并需要下拉電流在必要時(shí)禁用 MOSFET。弱下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強(qiáng)的下拉電流用于在發(fā)生短路時(shí)快速禁用MOSFET。
熱插拔控制器的最后一個(gè)基本模塊是TIMER，它限制過流事件期間電流處于調(diào)節(jié)狀態(tài)的時(shí)間。MOSFET 設(shè)計(jì)用于在規(guī)定的最大時(shí)間內(nèi)承受給定量的功率。MOSFET 制造商使用如圖 3 所示的圖表概述了此范圍或安全工作區(qū) （SOA）。
圖3.場(chǎng)效應(yīng)管 SOA 圖。
SOA圖顯示了漏源組合電壓、漏極電流和MOSFET能夠承受這種耗散的持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系。例如，圖3中的MOSFET可以承受10 V和85 A （850 W）的電壓，持續(xù)1 ms。如果這種情況持續(xù)更長時(shí)間，MOSFET 將被破壞。定時(shí)器電路可以確保MOSFET受這些最壞情況條件影響的時(shí)間長度受到外部定時(shí)器電容器的限制。例如，如果定時(shí)器設(shè)置為1 ms，并且電流超過限值超過1 ms，則電路將超時(shí)并關(guān)斷MOSFET。
在ADM1177中，為了提供安全裕度，定時(shí)器電流檢測(cè)電壓激活閾值設(shè)置為92 mV。因此，當(dāng)檢測(cè)電壓接近100 mV的調(diào)節(jié)值時(shí)，熱插拔控制器將開始保守地定時(shí)電流。
設(shè)計(jì)示例
由于ADM1177等控制器的設(shè)計(jì)具有靈活性，因此演示如何在12 V熱插拔設(shè)計(jì)示例中應(yīng)用控制器可能會(huì)有所幫助。此示例假定滿足以下條件：
控制器為 ADM1177
VIN = 12 V （±10%）
最大電壓 = 13.2 V
ITRIP = 30 A
負(fù)載 = 2000 μF
VON = 10 V（用于打開控制器的良好電源電平）
IPOWERUP = 1 A（上電期間負(fù)載所需的直流偏置電流）
為了簡化此討論，計(jì)算排除了組件公差的影響。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)最壞情況時(shí)，應(yīng)考慮這些公差。
上銷
首先考慮電源電壓超過10 V時(shí)使能控制器的條件。如果ON引腳的閾值為1.3 V，則VIN至ON引腳的分壓器比需要為0.13：1。為了準(zhǔn)確起見，在選擇串的電阻時(shí)應(yīng)考慮引腳漏電流。
由 10 kohm 和 1.5 kohm 電阻組成的電阻分壓器的合適比率為 0.130。
檢測(cè)電阻選擇
檢測(cè)電阻是根據(jù)啟動(dòng)定時(shí)器所需的負(fù)載電流選擇的。
其中VSENSETIMER= 92 mV。
檢測(cè)電阻在30 A時(shí)消耗的最大功率為：
因此，檢測(cè)電阻應(yīng)能夠耗散3 W。如果沒有具有正確額定功率或電阻的單個(gè)電阻器，則可以使用多個(gè)電阻器來制作檢測(cè)電阻器。
負(fù)載電容充電時(shí)間
在選擇MOSFET之前，必須確定對(duì)負(fù)載電容充電所需的時(shí)間。在上電階段，由于負(fù)載電容需要浪涌電流，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)載電容充電，則MOSFET將被禁用，系統(tǒng)將無法上電。我們可以使用以下等式來確定理想值：
該公式假設(shè)負(fù)載電流瞬時(shí)從0 A斜坡上升到30 A的理想條件。實(shí)際上，柵極電荷，Q一般事務(wù)人員，用于限制柵極電壓的壓擺率，從而限制上電電流曲線，從而在不觸發(fā) TIMER 功能的情況下向負(fù)載電容器輸送一定量的電荷。在圖4中，具有較高Q值的MOSFET一般事務(wù)人員與具有較低 Q 值的 MOSFET 相比，導(dǎo)致定時(shí)器在 T1 至 T3 的工作時(shí)間較短一般事務(wù)人員，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)器在 T0 到 T2 期間處于活動(dòng)狀態(tài)。
圖4.QGS對(duì)啟動(dòng)配置文件的影響。
這是因?yàn)樵?T0 和 T1 之間傳遞的電荷累積在小于電流限值時(shí)。因此，可以相應(yīng)地減少所需的計(jì)算時(shí)間。這個(gè)數(shù)量很難量化;這取決于控制器柵極電流和柵極電荷和電容的MOSFET規(guī)格。由于在某些情況下它可能占總充電電流的30%，因此需要考慮它，特別是在使用大MOSFET和高電流的設(shè)計(jì)中。
對(duì)于使用柵極電荷較低的MOSFET的設(shè)計(jì)，可以假設(shè)柵極斜坡快速。這將導(dǎo)致從0 A到I的快速斜坡旅行，這可能會(huì)導(dǎo)致不必要的瞬變;在這種情況下，應(yīng)使用軟啟動(dòng)。
軟啟動(dòng)
在軟啟動(dòng)時(shí)，浪涌電流在SS電容器設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)從零線性斜坡上升到滿量程。這將提供一個(gè)浪涌斜坡，避免30 A限值的突然沖擊，并通過增加基準(zhǔn)電流來實(shí)現(xiàn)。請(qǐng)注意，電流在SS事件期間處于穩(wěn)壓狀態(tài)，因此TIMER從軟啟動(dòng)開始的那一刻起就處于活動(dòng)狀態(tài)，如圖5所示。
圖5.定時(shí)器的軟啟動(dòng)效果。
因此，建議軟啟動(dòng)時(shí)間不超過總定時(shí)器的 10% 至 20%。對(duì)于此示例，我們可以選擇 100 μs 的時(shí)間。SS電容值可按如下方式確定：
其中 ISS = 10 μA 和 VSS = 1 V。
場(chǎng)效應(yīng)管和定時(shí)器選擇
選擇合適的MOSFET的第一步是選擇VDS和我D標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 12V 系統(tǒng)，VDS應(yīng)為 30 V 或 40 V，以處理可能破壞 MOSFET 的瞬變。我D的MOSFET應(yīng)遠(yuǎn)大于所需的最大值（參見圖3中的SOA圖）。在大電流應(yīng)用中，最重要的規(guī)格之一是MOSFET的RDSON.該參數(shù)的低值將確保MOSFET在正常工作中完全增強(qiáng)時(shí)損失最小功率，并且在滿載時(shí)產(chǎn)生的熱量最小。
散熱和功耗注意事項(xiàng)
在考慮SOA細(xì)節(jié)和定時(shí)器選擇之前，需要考慮MOSFET在全直流負(fù)載下的功耗，因?yàn)楸仨毐苊膺^熱。隨著MOSFET溫度的升高，其額定功率會(huì)降低或降低。此外，在高溫下運(yùn)行MOSFET會(huì)縮短其使用壽命。
回想一下，熱插拔控制器以92 mV的最小檢測(cè)電壓啟動(dòng)定時(shí)器。對(duì)于此計(jì)算，我們需要知道在不觸發(fā)定時(shí)器的情況下可以流動(dòng)的最大可能直流電流。假設(shè)最壞情況 V雷格明97 mV。然后
MOSFET在環(huán)境溫度下的熱阻將在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。封裝尺寸和額外的銅將影響此值。假設(shè)
由于MOSFET需要耗散2.1 W，因此預(yù)計(jì)最壞情況下的溫升將比環(huán)境溫度高126°C：
減少此數(shù)量的一種方法是并聯(lián)使用兩個(gè)或多個(gè)MOSFET。這將有效地降低R德森從而影響 MOSFET 中的功耗。使用兩個(gè) MOSFET 時(shí)，假設(shè)電流在器件之間平均分配（應(yīng)允許一定的容差），則每個(gè) MOSFET 的最大溫升為 32°C。下面顯示了每個(gè) MOSFET 中的功率：
隨著這種溫升和假設(shè)的環(huán)境溫度 T一個(gè)= 30°C，每個(gè)MOSFET的最高外殼溫度預(yù)計(jì)為62°C。
MOSFET SOA 注意事項(xiàng)
下一步是查看SOA圖，以找到合適的MOSFET來處理最壞情況。在最壞情況下，對(duì)地短路，VDS可以假設(shè)為 V。.MAX13.2 V，因?yàn)檫@將是MOSFET上存在的最大電壓，其源極端子被拉至GND。在調(diào)節(jié)中，最壞的情況將基于熱插拔控制器調(diào)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。這等于103 mV。然后可以按如下方式計(jì)算電流：
在將其與MOSFET SOA圖進(jìn)行比較之前，我們需要考慮MOSFET的溫度降額，因?yàn)镾OA圖基于環(huán)境外殼溫度TC= 25°C。首先計(jì)算T處的功耗C= 25°C：
其中 RthJC 在 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。
現(xiàn)在對(duì) TC = 62°C 執(zhí)行相同的計(jì)算：
因此，降額系數(shù) 1.42 的計(jì)算公式如下：
這需要應(yīng)用于圖3中MOSFET的SOA圖。表示施加最大功率的時(shí)間的對(duì)角線需要向下移動(dòng)，以反映調(diào)整后的額定功率。
我們之前使用 1 毫秒線作為示例來說明曲線的工作原理。例如，取該線上的一個(gè)點(diǎn)，例如（20 A，40 V）;此時(shí)的功率為 800 W。 應(yīng)用降額公式：
在 40 V 時(shí)，降額功率的相應(yīng)電流為 14 A。在 SOA 圖上繪制該點(diǎn)可在新的 62°C 降額 1 ms 線上建立一個(gè)點(diǎn)。新的 10 ms 和 100 μs 線路可以以相同的方式建立。圖 6 中的新行以紅色顯示。
圖6.SOA 圖，包括 62°C 降額功率限值。
選擇定時(shí)器電容器
SOA 的新降額線可用于重新計(jì)算 TIMER 值。從 繪制水平線我。.MAX≈ 35 A 和一條垂直線在。.MAX= 13.2 V（微弱的藍(lán)線），然后確定它們相對(duì)于紅線的交點(diǎn)。它們指示的時(shí)間介于 1 毫秒到 10 毫秒之間，可能是 ~2 毫秒。在對(duì)數(shù)刻度的圖形的一小部分區(qū)域中，很難獲得完全正確的數(shù)字，因此應(yīng)做出保守的選擇以確保應(yīng)用足夠的公差，同時(shí)考慮這些選擇對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)（如性能和價(jià)格）的影響。
回想一下，負(fù)載充電的估計(jì)時(shí)間約為 850 μs。由于軟啟動(dòng)時(shí)間由線性斜坡建立，因此為負(fù)載電容充電需要更長的時(shí)間（比階躍變化時(shí)更長）。為了估計(jì)總電荷量，假設(shè)如果使用軟啟動(dòng)，則將一半的SS時(shí)間添加到計(jì)算時(shí)間中;因此，將一半的SS時(shí)間（50 μs）增加到850 μs，總時(shí)間約為900 μs。如前所述，如果所選的MOSFET具有較大的柵極電荷（例如≥80 nC），則可以進(jìn)一步降低。如果負(fù)載充電時(shí)間小于最大SOA時(shí)間，則MOSFET是合適的。在這種情況下，滿足標(biāo)準(zhǔn)（0.9 毫秒< 2 毫秒）。
小于 2 ms 的 TIMER 值應(yīng)足以保護(hù) MOSFET，大于 0.9 ms 即可為負(fù)載充電。如果選擇1 ms的保守值，則電容的計(jì)算方法如下：
其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V，
使用并聯(lián) MOSFET 時(shí)，定時(shí)器選擇的計(jì)算不會(huì)改變。至關(guān)重要的是，定時(shí)器和短路保護(hù)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到單個(gè)MOSFET。原因是 V總金在一組 MOSFET 之間可能有很大差異，因此在穩(wěn)壓期間可能需要單個(gè) MOSFET 來處理大部分電流。
熱插拔設(shè)計(jì)完成
采用并聯(lián)MOSFET的熱插拔設(shè)計(jì)如圖7所示，具有正確的元件值。ADM1177熱插拔控制器執(zhí)行其他功能。它具有一個(gè)集成的片上ADC，可用于將電源電壓和負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過I2C 總線，提供完全集成的電流和電壓監(jiān)控功能。
圖7.完成的參考設(shè)計(jì)。
(作者：Marcus O’Sullivan)
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