理解热插拔技术：热插拔保护电路设计过程实例

服务器、 络交换机、冗余存储磁盘阵列(RAID)，以及其它形式的通信基础设施等高可用性系统，需要在整个使用生命周期内具有接 近零的停机率。如果这种系统的一个部件发生了故障或是需要升级，它必须在不中断系统其余部分的情况下进行替换，在系统维持运转的情况下，发生故障的电路板或模块将被移除，同时替换部件被插入。 这个过程被称为热插拔(hot swapping)(当模块与系统软件有相互作用时，也被称为hot plugging1)。为了实现安全的热插拔，通常使用带交错引脚的连接器来保证地与电源的建立先于其它连接，另外，为了能够容易的从带电背板上安全的移除和插入模块，每块印制板(PCB)或热插拔模块都带有热插拔控制器2。在工作状态下，控制器还可提供持续的短路保护和过流保护。

热插拔技术
常用的两种系统电源电压为-48 V和+12 V，它们使用不同的热插拔保护配置。-48 V系统包含低端热插拔控制器和导通MOSFET；而+12 V 系统使用高端热插拔控制器和导通MOSFET。

热插拔事件
考 虑一个具有12 V背板及一组可移除模块的系统。每个模块必须能在不影响任意相邻模块正常工作的条件下被移除和替换。当没有控制器时，每个模块可能会对电源线造成较大的负 载电容，通常在毫法量级。首次插入一个模块时，其未充电的电容需要所有可用的电流来对其进行充电。如果不对这个浪涌电流加以限制，这个很大的初始电流将会 降低端电压，导致主背板上的电压大幅下降，使系统中的多个邻近模块复位，并破坏模块的连接器。

这个问题可通过热插拔控制器（图1）来解决，热插拔控制器能合理控制浪涌电流，确保安全上电间隔。上电后，热插拔控制器还能持续监控电源电流，在正常工作过程中避免短路和过流。

图2、ADM1177功能框图

热插拔控制器内部的电流检测放大器用于监控外部检测电阻上的电压降。这个小电压(通常为0~100 mV)必须被放大到可用的水平。ADM1177中放大器的增益为10，那么，举例来说，某个给定电流产生的100 mV电压降将被放大到1 V。这个电压将与固定或可变的 基准电压进行比较。如果使用1V的基准源，那么在检测电阻上产生 100 mV(±3%)以上电压的电流将导致比较器指示过流。因此，最大电流触发点主要取决于检测电阻、放大器增益，以及基准电压；检测 电阻值决定了最大电流。定时器电路用于设定过流持续时间。

ADM1177 具有软启动功能，其中过流基准电压线性上升，而不是突然开启，这使得负载电流也以类似方式跟着变化。这可通过从内部电流源往外部电容(SS引脚)注入电 流，令比较器的基准输入从0 V到1 V线性升高而实现。外部SS电容决定了上升的速度。如果需要，SS引脚也可以直接使用电压驱动，以设定最大电流限。

由 比较器及参考电路构成的开启电路用于使能器件。它精确设定了使能控制器所必须达到的电源电压。器件一旦使能，栅极就开始充电， 这种电路所使用的N沟道MOSFET的栅极电压必须高于源极。为了在整个电源电压(VCC)范围内实现这个条件，热插拔控制器集成了一个电荷泵，能够将 GATE引脚的电压维持在比VCC还高10 V的水平。必要时，GATE引脚需要电荷泵上拉电流来使能MOSFET，并需要下拉电流来禁用MOSFET。较弱的下拉电流用于调节，较强 的下拉电流则用于在短路情况下快速禁用MOSFET。

热插拔控制器的最后一个基本模块为定时器，它限制过流情况下电流的调节时间。选用的MOSFET能在指定的最长时间内承受一定的功率。MOSFET制造商使用如图3所示的图表标出这个范围，或称作安全工作区(SOA)。

其中 VSENSETIMER = 92 mV.

检测电阻在30 A电流下消耗的最大功率为

其中 VREGMIN = 97 mV,是热插拔控制器的最小调节电压。

这个公式假定负载电流瞬时从0 A上升到30 A，这是一个理想情况。实际上，较大MOSFET的栅极电荷量QGS会限制栅极电压的压摆率，从而限制上电电流，因此，一定量的电荷会传输到负载电容而不触发定时器功能。在图4中，具有较大QGS的MOSFET会导致定时器的工作时间短于具有较小QGS的MOSFET，前者为T1 ~ T3，而后者为T0 ~ T2。

图5 软启动对定时器的影响

因此，推荐将软启动时间设定为不超过定时器总时间的10％~20％。例如，可以选择100 μs的时间。软启电容可由下式确定：

假设 MOSFET’s 最大 RDSON is 2 mΩ，则功率为

由于 MOSFET需要消耗2.1W的功率，最坏条件下，温度可能将上升到高于室温126°C：

假设室温TA = 30°C，再加上这个温度上升值，那么每个MOSFET的最大温度为62°C。

在与MOSFET SOA图进行比较之前，我们需要考虑MOSFET的温度降额，因为SOA是以室温（TC = 25°C）下的数据为基础的。首先计算TC = 25°C下的功耗：

因此，1.42的降额因数可通过如下计算得到：

在40 V，降额后的功率所对应的电流为14 A，在SOA图上这点将确定新的62°C降额后的1 ms线。使用同样的办法可确定新的10 ms以及100 μs线。新线在图6中以红色示出。

其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V,

图7、完整的参考设计