【導讀】高可用性係統（如服務器
、網絡交換機、獨立磁盤冗餘陣列 （RAID） 存儲和其他形式的通信基礎結構）需(xu)要(yao)設(she)計(ji)為(wei)在(zai)其(qi)整(zheng)個(ge)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)期(qi)間(jian)幾(ji)乎(hu)為(wei)零(ling)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)。如(ru)果(guo)此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)個(ge)組(zu)件(jian)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)或(huo)需(xu)要(yao)更(geng)新(xin)
，則(ze)必(bi)須(xu)在(zai)不(bu)中(zhong)斷(duan)係(xi)統(tong)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)更(geng)換(huan)該(gai)組(zu)件(jian)。在(zai)係(xi)統(tong)保(bao)持(chi)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)
，必(bi)須(xu)卸(xie)下(xia)電(dian)路(lu)板(ban)或(huo)模(mo)塊(kuai)並(bing)插(cha)入(ru)其(qi)替(ti)換(huan)件(jian)。此(ci)過(guo)程(cheng)稱(cheng)為(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)，或(huo)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)稱(cheng)為(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)（模塊與係統軟件交互）。

高可用性係統（如服務器


、網絡交換機
、獨立磁盤冗餘陣列 （RAID） 存儲和其他形式的通信基礎結構）需(xu)要(yao)設(she)計(ji)為(wei)在(zai)其(qi)整(zheng)個(ge)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)期(qi)間(jian)幾(ji)乎(hu)為(wei)零(ling)停(ting)機(ji)時(shi)間(jian)。如(ru)果(guo)此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)的(de)某(mou)個(ge)組(zu)件(jian)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)或(huo)需(xu)要(yao)更(geng)新(xin)
，則(ze)必(bi)須(xu)在(zai)不(bu)中(zhong)斷(duan)係(xi)統(tong)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)更(geng)換(huan)該(gai)組(zu)件(jian)。在(zai)係(xi)統(tong)保(bao)持(chi)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)，必(bi)須(xu)卸(xie)下(xia)電(dian)路(lu)板(ban)或(huo)模(mo)塊(kuai)並(bing)插(cha)入(ru)其(qi)替(ti)換(huan)件(jian)。此(ci)過(guo)程(cheng)稱(cheng)為(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)，或(huo)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)稱(cheng)為(wei)熱(re)插(cha)拔(ba)（模塊與係統軟件交互）。為了安全地熱插拔，通常使用具有交錯引腳的連接器來確保在進行其他連接之前建立接地和本地電源。此外
，每個印刷電路板 （PCB） 或huo插cha入ru式shi模mo塊kuai都dou有you一yi個ge板ban載zai熱re插cha拔ba控kong製zhi器qi，便bian於yu從cong帶dai電dian背bei板ban上shang安an全quan拆chai卸xie和he插cha入ru模mo塊kuai。在zai運yun行xing時shi，控kong製zhi器qi還hai提ti供gong連lian續xu保bao護hu

，防fang止zhi短duan路lu和he過guo流liu故gu障zhang。

雖然必須中斷和啟動的電流可能很大，但大電流設計的一些微妙之處往往很少被考慮。由於“細節決定成敗”
，本文將重點介紹熱插拔控製電路組件的功能和意義
，並深入探討使用ADI公司ADM1177熱插拔控製器的設計過程中的設計考慮因素和最佳元件選擇標準。

熱插拔拓撲

高可用性係統中常見的兩種係統功率級別（–48 V和+12 V）使用不同的熱插拔保護配置。–48V 係統集成了低側熱插拔控製和調整 MOSFET;+12 V係統使用高邊控製器和調整MOSFET。

–48-V方法起源於傳統的電信交換係統技術。在高級電信計算架構 （ATCA） 係統、光網絡、基站和刀片服務器中可以看到示例。作為通常從電池組獲得的電壓，選擇48 Vshiyinweigonglvhexinhaokeyiyuanjulichuanshuerbuhuizaochengzhongdasunshi
，dandianpingbuzuyizaizhengchangtiaojianxiamaoyanzhongdianjidefengxian。zhisuoyixuanzefujixing，shiyinweizaibaoluyuyuansushibukebimiandicunzaishuifendeqingkuangxia，jinshulizicongyangjidaoyinjideqianyizaizhengjiduanzijiedideqingkuangxiafushixingyaoxiaodeduo。

然而，在數據通信係統中，距離不是重要因素，+12 V電源更合理

，因此在刀片服務器和網絡係統設計中很受歡迎。本文將重點介紹+12 V係統。

熱插拔事件

考慮一個具有 12V 背bei板ban和he可ke拆chai卸xie模mo塊kuai機ji架jia的de係xi統tong。每mei個ge模mo塊kuai必bi須xu能neng夠gou撤che回hui和he更geng換huan，而er不bu會hui影ying響xiang機ji架jia中zhong任ren何he相xiang鄰lin模mo塊kuai的de正zheng常chang運yun行xing。在zai沒mei有you控kong製zhi器qi的de情qing況kuang下xia，每mei個ge模mo塊kuai可ke能neng會hui向xiang電dian源yuan線xian提ti供gong相xiang當dang大da的de負fu載zai電dian容rong
，通tong常chang為wei毫hao法fa拉la量liang級ji。首shou次ci插cha入ru模mo塊kuai時shi
，其qi未wei充chong電dian的de電dian容rong器qi需xu要yao盡jin可ke能neng多duo的de電dian流liu來lai為wei負fu載zai充chong電dian。如ru果guo不bu限xian製zhi此ci浪lang湧yong電dian流liu，則ze可ke能neng會hui降jiang低di端duan電dian壓ya
，導dao致zhi主zhu背bei板ban上shang出chu現xian明ming顯xian的de掉diao電dian，重zhong置zhi係xi統tong上shang的de許xu多duo相xiang鄰lin模mo塊kuai
，並bing因yin高gao初chu始shi電dian流liu而er損sun壞huai模mo塊kuai的de連lian接jie器qi。

這可以通過熱插拔控製器（圖1）來lai解jie決jue
，該gai控kong製zhi器qi仔zai細xi控kong製zhi浪lang湧yong電dian流liu以yi確que保bao安an全quan的de上shang電dian間jian隔ge。熱re插cha拔ba控kong製zhi器qi還hai將jiang在zai上shang電dian後hou持chi續xu監jian控kong電dian源yuan電dian流liu
，以yi防fang止zhi正zheng常chang工gong作zuo期qi間jian出chu現xian短duan路lu和he過guo流liu情qing況kuang。

圖1.熱插拔應用圖。

熱插拔控製器

ADM1177熱插拔控製器由三個主要元件組成（圖2）：用作主功率控製開關的N溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻和熱插拔控製器（包括電流檢測放大器）
，完成環路以控製MOSFET的通電流。

圖2.ADM1177功能框圖

在熱插拔控製器內部
，電流檢測放大器監視外部檢測電阻兩端的壓降。這個小電壓（通常範圍為0 mV至100 mV）必須放大到有用的水平。ADM1177中的放大器增益為10，因此，例如
，給定電流量產生的100 mV壓降將被放大至1 V。將該電壓與固定或可變基準電壓進行比較。采用1 V基準電壓源時
，分流器兩端產生大於100 mV （±3%）電壓的電流將導致比較器指示過流。因此
，最大電流跳變點主要由分流電阻、放大器增益和基準電壓決定;分流電阻值設置最大電流。TIMER 電路對給定過流條件可能存在的時間長度設置限製。

ADM1177juyouruanqidonggongneng，qizhongguoliujizhundianyayuanxianxingshangsheng，erbushiturandaotong，poshifuzaidianliuyileisidefangshigensui。zheshitongguojianglaizineibudianliuyuandedianliuzhuruwaibudianrong（SS引腳）來實現的
，以將比較器的基準輸入從0 V線性斜坡上升至1 V。外部SS電容設定此斜坡的速率。如有必要

，SS引腳也可以由電壓直接驅動

，以設置最大電流限值。

由比較器和基準電路組成的ON電路使能該器件。它可以精確地設置電源必須達到的電壓，以啟用控製器。設備啟用後
，門開始充電。此類電路中使用的N溝道MOSFET的柵極必須位於源極上方。為了在電源電壓（VCC）範圍內實現這一點

，熱插拔控製器具有一個集成電荷泵
，能夠將GATE引腳保持在比VCC高10 V之多。GATE 引腳需要一個電荷泵浦上拉電流來使能 MOSFET
，並需要下拉電流在必要時禁用 MOSFET。弱下拉電流用於調節，較強的下拉電流用於在發生短路時快速禁用MOSFET。

熱插拔控製器的最後一個基本模塊是TIMER
，它限製過流事件期間電流處於調節狀態的時間。MOSFET 設計用於在規定的最大時間內承受給定量的功率。MOSFET 製造商使用如圖 3 所示的圖表概述了此範圍或安全工作區 （SOA）。

圖3.場效應管 SOA 圖。

SOA圖顯示了漏源組合電壓
、漏極電流和MOSFET能夠承受這種耗散的持續時間之間的關係。例如，圖3中的MOSFET可以承受10 V和85 A （850 W）的電壓，持續1 ms。如果這種情況持續更長時間
，MOSFET 將被破壞。定時器電路可以確保MOSFET受這些最壞情況條件影響的時間長度受到外部定時器電容器的限製。例如，如果定時器設置為1 ms
，並且電流超過限值超過1 ms
，則電路將超時並關斷MOSFET。

在ADM1177中
，為了提供安全裕度，定時器電流檢測電壓激活閾值設置為92 mV。因此，當檢測電壓接近100 mV的調節值時，熱插拔控製器將開始保守地定時電流。

設計示例

由於ADM1177等控製器的設計具有靈活性，因此演示如何在12 V熱插拔設計示例中應用控製器可能會有所幫助。此示例假定滿足以下條件：

控製器為 ADM1177

VIN = 12 V （±10%）
最大電壓 = 13.2 V
ITRIP = 30 A
負載 = 2000 μF
VON = 10 V（用於打開控製器的良好電源電平）
IPOWERUP = 1 A（上電期間負載所需的直流偏置電流）

為了簡化此討論，計算排除了組件公差的影響。當然，在設計最壞情況時

，應考慮這些公差。

上銷

首先考慮電源電壓超過10 V時使能控製器的條件。如果ON引腳的閾值為1.3 V，則VIN至ON引腳的分壓器比需要為0.13：1。為了準確起見，在選擇串的電阻時應考慮引腳漏電流。

由 10 kohm 和 1.5 kohm 電阻組成的電阻分壓器的合適比率為 0.130。

檢測電阻選擇

檢測電阻是根據啟動定時器所需的負載電流選擇的。

其中VSENSETIMER= 92 mV。

檢測電阻在30 A時消耗的最大功率為：

因此，檢測電阻應能夠耗散3 W。如果沒有具有正確額定功率或電阻的單個電阻器，則可以使用多個電阻器來製作檢測電阻器。

負載電容充電時間

在選擇MOSFET之前，必須確定對負載電容充電所需的時間。在上電階段

，由於負載電容需要浪湧電流
，控製器通常會達到電流限製。如果TIMER引腳設置的時間不足以允許負載電容充電
，則MOSFET將被禁用
，係統將無法上電。我們可以使用以下等式來確定理想值：

哪裏在雷格明= 97 mV，熱插拔控製器的最小調節電壓。

該公式假設負載電流瞬時從0 A斜坡上升到30 A的理想條件。實際上
，柵極電荷，Q一般事務人員
，用於限製柵極電壓的壓擺率
，從而限製上電電流曲線，從而在不觸發 TIMER 功能的情況下向負載電容器輸送一定量的電荷。在圖4中，具有較高Q值的MOSFET一般事務人員與具有較低 Q 值的 MOSFET 相比

，導致定時器在 T1 至 T3 的工作時間較短一般事務人員，這會導致計時器在 T0 到 T2 期間處於活動狀態。

圖4.QGS對啟動配置文件的影響。

這是因為在 T0 和 T1 之間傳遞的電荷累積在小於電流限值時。因此，可以相應地減少所需的計算時間。這個數量很難量化;這取決於控製器柵極電流和柵極電荷和電容的MOSFET規格。由於在某些情況下它可能占總充電電流的30%
，因此需要考慮它，特別是在使用大MOSFET和高電流的設計中。

對於使用柵極電荷較低的MOSFET的設計，可以假設柵極斜坡快速。這將導致從0 A到I的快速斜坡旅行，這可能會導致不必要的瞬變;在這種情況下，應使用軟啟動。

軟啟動

在軟啟動時
，浪湧電流在SS電容器設定的時間段內從零線性斜坡上升到滿量程。這將提供一個浪湧斜坡
，避免30 A限值的突然衝擊
，並通過增加基準電流來實現。請注意，電流在SS事件期間處於穩壓狀態
，因此TIMER從軟啟動開始的那一刻起就處於活動狀態，如圖5所示。

圖5.定時器的軟啟動效果。

因此，建議軟啟動時間不超過總定時器的 10% 至 20%。對於此示例，我們可以選擇 100 μs 的時間。SS電容值可按如下方式確定：

其中 ISS = 10 μA 和 VSS = 1 V。

場效應管和定時器選擇

選擇合適的MOSFET的第一步是選擇VDS和我D標準。對於 12V 係統，VDS應為 30 V 或 40 V
，以處理可能破壞 MOSFET 的瞬變。我D的MOSFET應遠大於所需的最大值（參見圖3中的SOA圖）。在大電流應用中
，最重要的規格之一是MOSFET的RDSON.該參數的低值將確保MOSFET在正常工作中完全增強時損失最小功率，並且在滿載時產生的熱量最小。

散熱和功耗注意事項

在考慮SOA細節和定時器選擇之前，需要考慮MOSFET在全直流負載下的功耗，因為必須避免過熱。隨著MOSFET溫度的升高，其額定功率會降低或降低。此外，在高溫下運行MOSFET會縮短其使用壽命。

回想一下，熱插拔控製器以92 mV的最小檢測電壓啟動定時器。對於此計算
，我們需要知道在不觸發定時器的情況下可以流動的最大可能直流電流。假設最壞情況 V雷格明97 mV。然後

假設 MOSFET 的最大值R德森是2毫歐

，功率是

MOSFET在環境溫度下的熱阻將在數據手冊中指定。封裝尺寸和額外的銅將影響此值。假設

由於MOSFET需要耗散2.1 W
，因此預計最壞情況下的溫升將比環境溫度高126°C：

減少此數量的一種方法是並聯使用兩個或多個MOSFET。這將有效地降低R德森從而影響 MOSFET 中的功耗。使用兩個 MOSFET 時
，假設電流在器件之間平均分配（應允許一定的容差），則每個 MOSFET 的最大溫升為 32°C。下麵顯示了每個 MOSFET 中的功率：

隨著這種溫升和假設的環境溫度 T一個= 30°C，每個MOSFET的最高外殼溫度預計為62°C。

MOSFET SOA 注意事項

下一步是查看SOA圖，以找到合適的MOSFET來處理最壞情況。在最壞情況下，對地短路，VDS可以假設為 V。.MAX13.2 V，因為這將是MOSFET上存在的最大電壓，其源極端子被拉至GND。在調節中

，最壞的情況將基於熱插拔控製器調節點的最大數據手冊規格。這等於103 mV。然後可以按如下方式計算電流：

在將其與MOSFET SOA圖進行比較之前
，我們需要考慮MOSFET的溫度降額
，因為SOA圖基於環境外殼溫度TC= 25°C。首先計算T處的功耗C= 25°C：

其中 RthJC 在 MOSFET 數據手冊中指定。

現在對 TC = 62°C 執行相同的計算：

因此，降額係數 1.42 的計算公式如下：

這需要應用於圖3中MOSFET的SOA圖。表示施加最大功率的時間的對角線需要向下移動
，以反映調整後的額定功率。

我們之前使用 1 毫秒線作為示例來說明曲線的工作原理。例如，取該線上的一個點，例如（20 A，40 V）;此時的功率為 800 W。 應用降額公式：

在 40 V 時

，降額功率的相應電流為 14 A。在 SOA 圖上繪製該點可在新的 62°C 降額 1 ms 線上建立一個點。新的 10 ms 和 100 μs 線路可以以相同的方式建立。圖 6 中的新行以紅色顯示。

圖6.SOA 圖
，包括 62°C 降額功率限值。

選擇定時器電容器

SOA 的新降額線可用於重新計算 TIMER 值。從 繪製水平線我。.MAX≈ 35 A 和一條垂直線在。.MAX= 13.2 V（微弱的藍線）

，然後確定它們相對於紅線的交點。它們指示的時間介於 1 毫秒到 10 毫秒之間，可能是 ~2 haomiao。zaiduishukedudetuxingdeyixiaobufenquyuzhong，hennanhuodewanquanzhengquedeshuzi，yinciyingzuochubaoshoudexuanzeyiquebaoyingyongzugoudegongcha

，tongshikaolvzhexiexuanzeduiqitabiaozhun（如性能和價格）的影響。

回想一下，負載充電的估計時間約為 850 μs。由於軟啟動時間由線性斜坡建立
，因此為負載電容充電需要更長的時間（比階躍變化時更長）。為了估計總電荷量，假設如果使用軟啟動，則將一半的SS時間添加到計算時間中;因此
，將一半的SS時間（50 μs）增加到850 μs
，總時間約為900 μs。如前所述，如果所選的MOSFET具有較大的柵極電荷（例如≥80 nC），則可以進一步降低。如果負載充電時間小於最大SOA時間，則MOSFET是合適的。在這種情況下，滿足標準（0.9 毫秒< 2 毫秒）。

小於 2 ms 的 TIMER 值應足以保護 MOSFET，大於 0.9 ms 即可為負載充電。如果選擇1 ms的保守值，則電容的計算方法如下：

其中 ITIMER = 60 μA 和 VTIMER = 1.3 V，

使用並聯 MOSFET 時
，定時器選擇的計算不會改變。至關重要的是
，定時器和短路保護在設計時要考慮到單個MOSFET。原因是 V總金在一組 MOSFET 之間可能有很大差異
，因此在穩壓期間可能需要單個 MOSFET 來處理大部分電流。

熱插拔設計完成

采用並聯MOSFET的熱插拔設計如圖7所示，具有正確的元件值。ADM1177熱插拔控製器執行其他功能。它具有一個集成的片上ADC

，可用於將電源電壓和負載電流轉換為數字數據，這些數據可以通過I2C 總線
，提供完全集成的電流和電壓監控功能。

圖7.完成的參考設計。

(作者：Marcus O’Sullivan)

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