理解热插拔技术:热插拔保护电路设计过程实例
Analog Dialogue第42卷第2期 9
理解热插拔技术:热
插拔保护电路设计过
程实例
作者:Marcus O’Sullivan
引言
服务器、网络交换机、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...
Analog Dialogue第42卷第2期 9
理解热插拔技术:热
插拔保护电路设计过
程实例
作者:Marcus O’Sullivan
引言
服务器、网络交换机、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。
尽管切断或开启的电流会比较大,但大电流设计的一些微妙之处却常
常未得到充分的考虑。“细节决定成败”,本文将重点分析热插拔控制
电路中各部件的功能及重要性,并深入分析在设计过程中使用ADI公
司ADM11773热插拔控制器时的设计考虑和器件选型
。
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。
-48 V
来源于传统的通信交换系统技术,如高级通信计算架构
(ATCA)系统、光网络、基站,以及刀片式服务器。48 V电源通常可由
电池组提供,选用48 V是因为电源及信号能被传输至较远的距离,同
时不会遭受很大损失;另外,在通常条件下,由于电平不够高,所以不
会产生严重的电气冲击危险。采用负电压的原因是,当设备不可避免
的暴露在潮湿环境中时,在正极端接地的情况下,从阳极到阴极的金
属离子迁移的腐蚀性较弱。
然而,在数据通信系统中,距离并不是重要因素,+12 V电压会更加合
理,它常用于服务器及网络系统中。本文将重点介绍+12 V系统。
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。
ADM1177 LOAD
+12V
GND
图1 热插拔应用框图
热插拔控制器
ADM1177热插拔控制器包括三个主要元件(图2):用作电源控制
主开关的N沟道MOSFET、测量电流的检测电阻,以及热插拔控
制器。热插拔控制器用于实现控制MOSFET导通电流的环路,其
中包含一个电流检测放大器。
GND
CTIMERCSS
GATE
DRIVE/LOGIC
VCP
1V
TIMER
1VSS
TIMER
ADM1177
GATE
Q1
VOUTVIN
RSENSE
CLOAD
×10
1.3V
ON
SENSEVCC
图2、ADM1177功能框图
10 Analog Dialogue第42卷第2期
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)。
10000
1000
100
10
1
0.1 100101
I D
(A
)
VDS (V)
LIMITED BY RDSON
10¿s
100¿s
1ms
10ms
图3 MOSFET SOA图
SOA图所示的是漏源电压、漏极电流,以及MOSFET能够承受这
一功耗的持续时间之间的关系。例如,图3中的MOSFET在10 V
和85 A(850 W)条件下能承受1 ms,如果这一条件持续更长时间,
则MOSFET可能损坏。定时器电路使用外部定时器电容来限制
MOSFET经受这些最坏条件的时间。例如,如果定时器设置为1
ms,当电流的持续时间超过1 ms的限制时,电路就会暂停,并关断
MOSFET。
为了提供安全裕量,在ADM1177中,定时器的电流检测电压激活阈
值被设置为92 mV,因此,当检测电压接近100 mV的额定值时,热
插拔控制器就会开始计时。
设计实例
由于ADM1177等控制器的设计允许一定的灵活性,因此演示其在
12 V热插拔设计实例中的应用是很有用的。在本例中,假设:
• 控制器为ADM1177
• VIN = 12 V (±10%)
• VMAX = 13.2 V
• ITRIP = 30 A
• CLOAD = 2000 µF
• VON = 10 V (较好的开启控制器的电源电平)
• IPOWERUP = 1 A (上电过程中所需的直流偏置电流)
为简化讨论,计算中不考虑器件容差效应。当然,在最坏条件的设计
中,应当考虑这些容差。
ON引脚
首先考虑在电源电压超过10 V的情况下使能控制器的情况。如果ON
引脚的阈值为1.3 V,从VIN到ON引脚的分压器比例应该设定为0.13:1。
为了保证准确性,选择电阻时应考虑到引脚的漏电。
由10 kΩ与1.5 kΩ构成的电阻分压器的分压比为0.130。
检测电阻的选择
检测电阻的选取应以开启定时器所需的负载电流为依据。
其中VSENSETIMER = 92 mV.
检测电阻在30 A电流下消耗的最大功率为
因此,检测电阻应该能承受3 W的功率。如果没有具有适当的额定功
率或阻值的单个电阻,可以使用多个电阻并联来构成检测电阻。
Analog Dialogue第42卷第2期 11
负载电容充电时间
选择MOSFET之前必须确定负载电容充电所需的时间。在上电阶
段,由于负载电容的浪涌电流效应,控制器通常会达到电流限制。
如果TIMER引脚设置的时间不足以允许负载电容完成充电,那么
MOSFET将被禁用,系统无法上电。我们可以使用下列
来确定
理想的充电时间:
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。
VOUT
ILOAD
VTIMER
CURRENT
REGULATION
LIMIT
TIMER
TRIPHIGH QGS MOSFET
LOW QGS MOSFET
T0 T2T1 T3
FET ENABLE
LOAD CHANGED
LOAD CHANGED
图4、启动过程中QGS的影响
这是因为在T0和T1之间传输电荷的增加小于电流限制,因此实际时
间小于计算所需的时间。这个数值难以定量,它取决于控制器栅极电
流以及MOSFET的栅极电荷和电容。在某些情况下,它可能占到整
个充电电流的30%,因此在设计中需要对其加以考虑,尤其是使用
大MOSFET及大电流的设计。
在利用具有较小栅极电荷的MOSFET的设计中,可假设栅极电压的
上升速度很快。这会导致从0 A到ITRIP的快速增加,从而引起不希望
的瞬变,在这种情况下,应使用软启动。
软启动
利用软启动,浪涌电流在软启电容设定的期间可以从零线性增加到
满量程。通过逐步提高基准电流,能避免浪涌电流突然达到30 A的
限制。需要注意的是,在软启过程中,电流处于调整过程中,因此,定
时器从软启动开始之际就进入工作状态,如图5所示。
SOFT-START
REGION
T0
T1 T2 T3
t
NORMAL CURRENT LIMIT
LO
A
D
C
U
R
R
EN
T
TIMER CYCLE
T0 = FET IS ENABLED.
T1 = SS CYCLE BEGINS. CURRENT HITS LIMIT. TIMER BEGINS.
T2 = SS REACHES FULL CURRENT LIMIT.
T3 = TIMER EXPIRES. FET DISABLED.
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:
其中ISS = 10 µA and VSS = 1 V.
MOSFET与定时器的选择
选择合适的MOSFET的第一步为选定VDS和ID标准。对于12 V
系统来说,VDS应为30 V或40 V,以处理可能损坏MOSFET的瞬
变。MOSFET的ID应远大于所需的最大值(参考图3的SOA图)。在
大电流应用中,最重要的指标之一为MOSFET的导通电阻RDSON。较
小的RDSON能确保MOSFET在正常工作时具有最小功耗,并在满负
载条件下产生最少的热量。
12 Analog Dialogue第42卷第2期
对热量及功耗的考虑
因为必须要避免过热,因此,在考虑SOA指标与定时器选择之前,
应该先考虑MOSFET在直流负载条件下的功耗。随着MOSFET
温度的升高,额定功率将会减小或降额。此外,在高温下工作
时,MOSFET的使用寿命会缩短。
前面提及热插拔控制器将在92 mV的最小检测电压下开启定时器。为
了进行计算,我们需要知道不会触发定时器的最大允许直流电流。假
设最坏条件下的VREGMIN为97 mV,那么,
假设MOSFET的最大RDSON为2 mΩ,则功率为
数据手册中会给出MOSFET在常温下的热电阻。封装尺寸及附加的
铜引线会对其具有一定影响。假设
由于MOSFET需要消耗2.1 W的功率,最坏条件下,温度可能将上升
到高于室温126°C:
降低这个数值的一种方法是并联使用两个或更多的MOSFET,
这样能有效降低RDSON,从而降低MOSFET的功耗。使用两个
MOSFET时,假设电流在器件间均匀匹配(允许一定的容差),那么每
个MOSFET的温度升高最大值为32°C。下式给出了每个MOSFET
的功耗:
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.
MOSFET SOA考虑
下一步需要检查SOA图,以选择合适的能工作在最坏条件的
MOSFET。在短路到地的最坏条件下,可假设VDS等于VMAX,为
13.2 V,这是将MOSFET源极拉到地时MOSFET上能产生的最大电
压。在调节阶段,最坏条件将取决于数据手册中热插拔控制器调节点
的最大值,这个值为103 mV。于是,电流可根据下式进行计算:
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:
其中RthJC可由MOSFET数据手册得到。
现在对TC = 62°C进行同样的计算:
因此,1.42的降额因数可通过如下计算得到:
这需要被应用于图3的MOSFET SOA图中。为了反映出调节过的额
定功率,需要把表示施加最大功率的时间值的对角线向下平移。
我们先使用1 ms线来举例说明这条曲线的原理。例如,在这条线上取
一点,如(20 A、40 V),这点的功率为800 W,应用降额公式:
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。
10000
1000
100
10
1
0.1 100101
I D
(A
)
VDS (V)
LIMITED BY RDSON
10¿s
100¿s
1ms
10ms
60°C DERATED POWER LIMITS
图6、包含62°C降额后功率限制的SOA图
Analog Dialogue第42卷第2期 13
选择定时器电容
SOA中新的降额线可用于重新计算定时器的参数值。沿IMAX ≈ 35A
画一条水平线,沿VMAX = 13.2 V画一条垂直线(淡蓝色的线),并确定
它们与红色线的交叉点。这些交叉点示出1 ms与10 ms之间的某个时
间,也许是2 ms。在对数坐标图的小范围内,一般很难获取准确的数
值,因此要进行慎重的选择,要考虑到这些选择对性能以及价格等其
它标准的影响,确保留有足够的容差。
前面提到对负载进行充电的时间约为850 µs。由于软启动时间是由线
性斜坡决定的,与阶跃变化相比,要花费更长的时间来对负载电容充
电。为了估算总的电荷量,如果使用软启动,假设需要在计算时间的基
础上加上软启动时间的一半,于是,在850 µs上加软启动时间的一半
(50 µs),得到总时间约为900 µs。如果所选的MOSFET具有较大的
栅极电荷(比如≥80 nC),如前所述,这个时间需要进一步缩小。如果
对负载充电的时间小于最大SOA时间,MOSFET就是合适的。在这
个例子中,MOSFET符合标准(0.9 ms<2 ms)。
小于2 ms的定时器值足以保护MOSFET,大于0.9 ms则足够对负载充
电。如果选择的时间恒定为1 ms,那么电容可通过下式进行计算:
其中ITIMER = 60 µA and VTIMER = 1.3 V,
使用并联MOSFET时,对定时器的计算不会变。重要的是应使用
单个MOSFET设计定时器及短路保护,原因是在一组MOSFET
中,VG S T H会有显著差异,因此在调整过程中,需要使用单个
MOSFET处理较大的电流。
完成热插拔设计
图7所示的是具有正确参数值的并联MOSF ET热插拔设计。
ADM1177热插拔控制器还能执行其它功能。它集成了片上ADC,可
用于将电源电压和负载电流转换为数字数据,以通过I2C®总线读出,
提供全集成的电流及电压检测功能。
GND
47nF1nF
SS
TIMER
GATE
SCL
SDA
ADR
Q1
Q2
VOUTVIN = 12V 3mΩ
1.5kΩ 2000¿F
ON
SENSEVCC
ADM1177
HOT-SWAP
CONTROLLER
10kΩ
图7、完整的参考设计
作者简介:
Marcus O'Sullivan [marcus.osullivan@analog.com]
已经在ADI工作了八年多,现任爱尔兰利默尼里克
中心电源管理部应用工程师。他拥有爱尔兰利默尼
里克大学电子工程学士学位。他在1999年毕业后加
入ADI公司,曾任测试开发工程师,自2004年以后
他一直担任应用工程师。
参考文献—从2008年6月起有效
1www.en.wikipedia.org/wiki/hot_swapping
2ADI website: www.analog.com (Search) hot swap (Go)
3ADI website: www.analog.com (Search) ADM1177 (Go)
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LONG
VIN = 12V
RON1
RON2
VCC
RSENSE
HOT-SWAP CONTROL
Q1
CTIMER
LONG
SHORT
SENSE
ON
SS
TIMER
GND
ADM1177
GATE
GND GND
CLOAD
CSS
CONTROLLER
WATTS
¿PSDA
SCL
ADR
CURRENT VOLTAGEVOLTAGE
图8、带有I2C数字功率监控功能的热插拔设计
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