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热插拔原理和应用

发布时间:2011-04-28

中心议题:
  • 热插拔原理
  • 热插拔应用
解决方案:
  • 自由选择保护的模
  • 计时电路,做断电器的功能
  • 控制电流上升速率
  • MOS管或电流检测电阻功耗
  
热插拔(HotSwap、HotPlug、HotDock)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。
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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。


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