智能的热插拔控制：浪涌电流限制的下一个发展阶段

作者：时间：2012-06-13 来源：网络收藏

热插拔问题

　　高可用性系统必须连续工作，不能中断服务。为了在底盘上装有很多电路卡的大型系统中实现这样的可靠性，必须能够在不给系统断电的情况下增加新卡和替换旧卡或损坏的卡。但是，在带电背板上拔出和插入板卡可能引起成堆的问题。背板上板卡连接器之间常常有很大的电感，背板电源也有很大的电容。断开一个仍在消耗负载电流的板卡能导致背板上出现振铃和大的电压尖峰，这有可能干扰甚至损坏附近的电路板。在电压更高的应用中（如 48V 配电系统），拔出板卡可能引起电弧，导致连接器接触点损坏。甚至会出现更严重的情况：当插入一个新的板卡且其电源轨第一次联接时，不受限制的背板电流会给板卡电容充电并引起灾难性的瞬态浪涌。迄今为止，已经逐渐出现了各种电路，可在这类系统中实现板卡的安全“热”插拔。

热插拔解决方案的发展过程

　　如图 1 所示，在背板和具有大电容的板卡之间放置开关 M1，以解决一些热插拔问题。以某种控制方式接通和断开这个开关可以最大限度地减小对背板电源的干扰。插入板卡时，这个开关起初靠 R1 保持关闭状态。电源轨接通以后，短引脚连接并通过 R2 给 C1 充电以接通开关。箝位电路 Z1 将 M1 的栅极电压限制在安全值上。当板卡拔出时，短引脚首先断接，允许 R1 慢慢关闭 M1。

　　这个简单的电路有几个缺点。首先，虽然 M1 栅极的波形是缓慢上升的，但是功率晶体管的高增益导致输出电压以快得多的速度上升。因此，要实现满意的接通速度，所需的 R1、R2 和 C1 的值高到了不现实的程度。其次，通过 R1 断开 M1 的过程非常慢，也许比拔出板卡所花的时间还长。因此这个开关在长引脚断接时仍有可能允许电流流过。第三，如果板卡短路或过载，惟一的保护是慢速作用的保险丝 F1。最后，在正电压系统中，这个电路中的 M1 必须采用 P 型 MOSFET，这一般不如采用 N 型器件经济。

　　早期集成的热插拔控制器（如图 2 所示的 LT1640）解决了很多这类问题。当短引脚连接时，控制器以电流固定为 45μA 的电流源接通开关。起初，它会给 MOSFET 栅极充电，直到 MOSFET 接通为止。当输出电压开始变化时，该电流转而给栅漏之间的电容器 C2 充电。通过选择 C2 来准确设定输出电压转换率和浪涌电流。在拔出板卡时，该控制器在连接器接触点断开之前迅速断开 MOSFET 开关。此外，电流检测电阻 R_S与比较器 A1 一起形成一个电子断路器，如果负载电流超过所设定的限度，那么这个断路器就断开开关。就正电压系统而言，像 LTC1422 这样的器件还提供一个充电泵以驱动不那么昂贵和用于高压侧电源轨的 N 型 MOSFET。

　　很多系统都有持续时间很短的电源瞬态，这是正常现象。例如，电信系统可能在冗余电源之间切换，从而在板卡输入电压中引起几伏的阶跃。在带有电动机的系统中（如磁盘驱动器），电动机启动时可能出现持续时间很短的大电流。这样的事件可能导致负载电流瞬间超过断路器门限，从而错误地关闭开关。第二代热插拔控制器发展到可以区别真的故障和工作瞬态，并提供恰当的故障保护。将图 2 所示的比较器变成主动限制电流的放大器就可以解决这个问题。LT4250 等器件将电流限制到一个安全值上，然后，如果故障持续时间超出了定时器的设定值，就关闭开关。

　　在出现浪涌和输出过载时主动限制电流这进一步的改进简化了热插拔电路。这允许去掉电容器 C2 并更快地升高输出电压。限流定时器常常是可调的，因此可以让过载持续时间与特定系统需求和 MOSFET 的坚固性相匹配。用于 -48V 系统的 LTC4252A 和用于正电压系统的 LT4256 就是这类器件。

数字监控——热插拔控制器的新纪元

提高智能程度改善可靠性

　　在复杂的高可用性应用中，出于多种原因，监视系统电源变得越来越重要了。首先，随着时间推移，你可以观察表明工作反常和预示即将出现故障的异常动向。其次，系统在不同类型的板卡之间分配功率以节约使用总电源容量是今天的常见做法。电源监控确保板卡消耗的功率保持在所分配的限额之内。热插拔电路放置在电源连接器附近，因此自然而然地成为对进入板卡的功率进行监视的处所。

　　LTC4260、LTC4261等最新一代热插拔控制器使功率监视很容易进行。除了浪涌电流控制、电子断路器等核心热插拔功能以外，LTC4261（如图 3 所示）还包含一个 10 位模数转换器、多路复用器、前置放大器电路和数字接口，能实现前所未有的监视和控制水平。这个器件测量输入电压和电流检测电阻上的电压。知道了电压和电流就可以确定板卡的功率并观察动向。此外，还可以利用附加的自由数据转换器输入实现额外的测量，如测量 MOSFET 上的电压或输入保险丝状态。

最新的热插拔控制器

　　由于具备数字接口而增加的功能远不止监视板卡功率。你还可以向器件发布指令以控制电源并配置及报告各种故障表现。例如，开关可能由于背板欠压状态等故障而断开。在这种情况下，可以设定一个标记，根据这个标记确定故障原因。这也可能产生一个“报警信号”，将中断电压拉低以通知系统出现了故障。此外，你还可以设置，出现哪些故障时让板卡永久断开或自动再加电。例如，远程或难以提供服务的系统可能优先选择在欠压状态结束时允许板卡自己重新启动。

　　这种信息可以两种方式获取。首先，你可以采用常见的I²C总线读写寄存器。在-48V系统中，这常常意味着跨隔离势垒向I²C主器件发送数据。LTC4261将发送和接收数据引脚（SDAO 和 SDAI）分开以简化隔离电路。其次，你可以利用单线广播模式进一步降低成本。在这种情况下，单输出引脚和外部光隔离器重复发送一个数据流，提供了寄存器内容和所测得的电压和电流值。

监视多种故障

　　现代热插拔控制器除了过流，还监视多种故障。在 -48V 系统中，对所允许的工作电压常常有严格的要求以保护负载。两个欠压输入 UVH 和 UVL 允许从断开电压（如 -38V）独立选择接通电压（如 -43V）。如果输入电压太高，那么过压输入 OV 就断开开关。

　　LTC4261 简化了电源启动过程，并确保就负载而言恰当的电源启动。它延迟产生电源良好信号，在MOSFET开关升高板卡电源电压之后启动负载。接着，加电定时器启动。系统监视器必须回来终止定时器，以指示正常工作状态。如果由于系统启动出现故障，定时器最终没有接收到这个信号，那么电源就关断。

软启动和独立浪涌电流限制改善连接

　　除了很多新型监视功能以外，基本浪涌控制功能也在不断改善。在某些具有极大背板电感的应用中，不仅必须控制浪涌电流，还必须限制浪涌电流的上升速度（dI/dt），以最大限度地减小对背板的干扰。限流电路现在纳入了软启动功能以限制dI/dt，而dI/dt是通过选择外部电容器C_SS来控制的。

　　另一个改进是将插入板卡时的浪涌电流限制与断路器使用的工作电流限制分开。在负载电流很大的系统中，可能存在很大的负载电容。如果将这么大的电容充电到48V，会存储相当高的能量。启动时在MOSFET 开关中消耗等量的能量，这是最大的负担。LTC4261允许定义断路器限流值，可以用R_S设置，不受用C2设置的浪涌电流的影响。因此，你可以给大负载电容加电，同时最大限度地降低MOSFET的功耗和尺寸。图4显示 LTC4261 在一个 -48V 板卡插入后启动该板卡的过程。

智能的热插拔控制：浪涌电流限制的下一个发展阶段