高可靠性电源系统的热插拔原理和应用

    热插拔的工作原理: 热插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系统导电的工作状态下，将模组、卡或连接器插到系统上而不影响系统的操作。  

    图1所示为热插拔过程，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。 

    热插拔的目的是将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平。其实现方法有几种，其中使用PTC（正温度系数的热敏电阻），是最简单的方法。PTC依靠本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度，其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。MOS管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，比较适于低端用途。最好的方法是采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。 

    热插拔的实现如图2所示，是通过在供电与负载之间串联一个MOS管和一个电流检测电阻完成的。电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。

    接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中输出电流电压的情况。图3中，左边图形是UCC3915的输出电流、输出电压、即时电容电压的波形，可以看到当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，开始计时；如果输出电流超过ITRIP并一直上升到IMAX（设定的最大值），由于此时MOS管工作在线性模式，将最大输出电流限制在这一水平而不让输出电流上升，因此输出电流就会被限制在IMAX。另一方面，如果计时电容电压达到1.5V，MOS管就会断开，输出电流下降到0。MOS管断开之后电容会被放电，直到下降到0.5V，然后MOS管重新启动，此时电流开始上升。如果输出电流还很高，则会将输出电流限制在IMAX，经过计时后电路又会将MOS管切断，电路将按照这一原理一直工作。右图中有两组电压和电流的波形，其中一组是没有热插拔的电压电流波形，另外一组是加入了热插拔的电压电流波形。没有加入热插拔功能的时候，瞬间电流幅度很大，高的瞬间电流幅度造成了系统电压大约1V的下降幅度；当加入了热插拔，这一瞬间电流被限制在一个较低的水平，对系统电压影响较小，从而达到热插拔的目的。 

    系统中加入热插拔的好处包括： 

    1）在系统开机情况下将损坏的模块移除，还可以在开机情况下做更新或扩充动作而不影响系统操作； 

    2）由于热插拔零件的可靠度提升，还可以将它们用做断电器，而且因为热插拔能够自动恢复，有很多热插拔芯片为系统提供线路供电情况的信号，以便系统做故障分析，因此减少了成本。 

    热插拔非常适合用于高可靠度的系统，如通信电源系统、伺服器电源系统等，也可以用于储存设备的电源供应，因此这些设备需要在系统不断电的情况下更换储存设备或更新。热插拔也适合于体积较小但可靠度要求很高的电源系统，包括一些主要的规范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此应用相当广泛。 

    TI的热插拔管理芯片 

    在选择热插拔芯片时，需要考虑的内容有： 

    1）热插拔管理芯片的工作电压范围为48V、-48V或低电压12V以内以及电流的限制； 

    2）保护的模式，可以选择自动恢复或者锁死保护模式； 

    3）计时电路，做断电器的功能； 

    4）其他工作状态时的性能，如负载短路时需要高速响应，负载增加时不损坏周边器件。热插拔启动的瞬间，电流上升速率能够被控制，从而减少噪音和冲击水平； 

    5）MOS管或电流检测电阻功耗等。 

    TI推出了很多热插拔产品，并且多个产品中加入了特殊功能以提升热插拔的工作功率，这能够使热插拔MOS管工作在安全区，从而提高产品可靠度、降低成本。另外一个功能就是di/dt（电流上升的速率），这能够减少噪音和对电路零件的冲击。TI的热插拔产品主要分为两类：高压热插拔产品，针对48V、-48V或24V应用；低压热插拔产品，针对3V到15V的应用。 

    对于高压热插拔产品，又可以分为两类：+48V产品和?48V产品，如图4所示。48V的产品有TPS2490和2491，这个产品的工作电压从9V到80V，含有一个独特的功能叫做定功率的设定。?48V的热插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，这个系列针对简单的热插拔的应用，工作电压从?36到?80V，是8只脚的封装。第二个?48V的热插拔是TPS2392和TPS2393，是属于全功能?48V的热插拔产品，除了拥有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠压和过压的设定，提供两只脚做连接器的检测。

    其中，定功率是TI的一项独特的技术，图5将定功率限制和一般的线性电流仿真电路作比较，左边的图为一般线性电流仿真电路曲线，MOS管的电流和VDS呈线性关系；右边的图为定功率曲线，从图中公式可以看到电流与VDS呈非线性。 

    当负载增加，如果没有定功率限制，图6中左上端的输出电流上升很快，输出电压降低，流过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，左下端的电压电流波形中电流上升很快，向输入电容充电之后下降很快，而且同时保持MOS管工作点一直在SOR之内。因此只要将定功率限制设定好，就可以不考虑负载的变化，节约了MOS管成本。 

    负载短路时，如果没有定功率限制，电流将会上冲并超过70A，15微秒后才能恢复到所设定的最大电流5A，这样大的电流幅度很可能损坏线路周边零件；加入功率限制功能后，电流上升幅度较小，只有20A，只要经过1微秒即可降到所设定的最大电流5A，而对于1微秒、20A的脉冲，MOS管完全工作在安全工作区之内。 

    对于-48V的一些热插拔产品，有TPS2390、2391、2398、2399，这些芯片都只有8脚，工作电压由-36到-80V，从应用线路看它们的应用很简单，基本上只要考虑最大电流设定，然后是计时电路和TI独特的设计功能叫做电流上升的速率。在TI的控制芯片中，很多的热插拔产品都会有一个叫做RAMP的引脚作电流上升速率的设定，通常通过一个电容来设定电流上升的斜率。 

    很多控制器的设计都是采用电压上升斜率控制，当热插拔控制器启动的时候，输出电压慢慢上升，但是输出电流上升的很快，而且输出电流上升的幅度根据不同的电容负载而不同，如果负载电容比较大，电流脉冲幅度相对很大，如此大的脉冲电流也会影响系统的正常操作。TPS239X系列采用电流上升斜率的导通方法，在启动的时候，输出电流的上升斜率可以依靠RAMP电容设定，RAMP电容越大，上升的斜率越慢，从而减少了系统噪音和冲击的影响。 

    TI的低电压热插拔产品分为两类：MOS管内置的产品和MOS外置的产品，如图7所示。MOS管内置的产品包含UCC3912、UCC3915、UCC3918和TPS2420/21等，这些产品的最大允许流过电流是5安培，工作电压由接近0V到12V，MOS外置的热插拔控制芯片有单路和双路控制芯片，两种单路的控制芯片有TPS2330和TPS2331，双路有TPS2300系列。

    热插拔可以应用于很多场合，图8列出了不同设计应用所搭配的热插拔产品，可以根据该表选择适合的热插拔器件。■