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高可靠性电源系统的热插拔原理和应用 免费猫

发布时间:2020-02-17 14:02:40 阅读: 来源:试验机厂家

高可靠性电源系统的热插拔原理和应用

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。

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