可編程大電流熱插拔控制

        電路熱插拔控制的目的是為了在一塊正在工作的電路板上添加或“插入”一塊未通電的電路板，不會(huì )中斷原電路板正在進(jìn)行的工作狀態(tài)，并且同時(shí)啟動(dòng)添加到系統中的那塊電路板的有序上電。主要目的是為了當電流轉入一塊插入到“正在工作”或帶電的背板或其他電路的電路板時(shí)，保護MOSFET器件。

        目前有許多商業(yè)的集成電路可以實(shí)現單獨的熱插拔或即插即用控制功能。這些器件在一組特定的電壓/電流輸入范圍條件下有最佳的表現。使用這些電路，編程需要進(jìn)一步考慮電路板的其他參數變化。編程由用戶(hù)實(shí)現，用戶(hù)必須慎重選擇外部電阻和電容來(lái)控制斜率、過(guò)/欠壓限制和其他關(guān)鍵參數。

        本文將研究一種通用的熱插拔控制器，與其他控制器相比，軟件可編程的條件更廣泛。它會(huì )詳細說(shuō)明使用的算法，為用戶(hù)提供使用一個(gè)熱插拔控制器件的最大的靈活性。最后，通用電源/平臺管理控制器的優(yōu)勢可以成為可編程器件的集成功能集的一部分，為設計師們提供更大的價(jià)值和易用性。

熱插拔控制器是如何工作的？

        熱插拔控制器用于在電路板插入帶電的背板時(shí)，限制浪涌電流。此外，這些器件提供了電路板的過(guò)流、過(guò)壓和欠壓保護。圖1顯示了用于正電壓電源背板的典型熱插拔控制器的實(shí)現框圖。RS是電流檢測電阻。MOSFET Q1用來(lái)控制電路板上從背板到負載的電流。電阻R1、R2和R3用于監測背板的過(guò)壓和欠壓情況。

         當背板電壓瞬時(shí)降至低于低工作電壓（欠壓）閾值（例如，持續約10ms）時(shí)，使用釋抑電容CH為電路板供電。這個(gè)電容是使得電路板不受到其他電路板熱插入或熱拔出系統時(shí)所引起的背板電壓下降的關(guān)鍵。


 
圖1——正電壓熱插拔控制器
         一旦當卡插入通電的背板時(shí)就會(huì )發(fā)生一系列事件。首先，會(huì )有大電流從背板流入釋抑電容CH。熱插拔控制器通過(guò)控制MOSFET柵極上的電壓限制浪涌電流，使用RS上的電壓作為反饋電壓。MOSFET將在這個(gè)線(xiàn)性或部分工作的電流限制模式下工作，直到電容CH完全充電。

        在短暫的電容充電時(shí)間內，從背板流入的浪涌電流往往會(huì )比電路板的正常工作電流大得多。因此，當其他卡插入背板時(shí)，背板電壓可能會(huì )立即降至低于欠壓閾值。系統中其他卡上的電容CH中儲存的電荷，可用于在這個(gè)短暫的電壓驟降期間，繼續共享背板電壓，保證系統的正常工作。

        熱插拔控制器還需要將背板與電路板隔離，以防止操作過(guò)程中電路板本身發(fā)生故障。為此，熱插拔控制器將監測通過(guò)其檢測電阻RS的電流。當電阻RS上的電壓超出其閾值電壓，熱插拔控制器將關(guān)斷MOSFET。這有時(shí)被稱(chēng)為斷路器功能。如果背板電壓降到低于欠壓閾值或升到超過(guò)過(guò)壓閾值，通過(guò)關(guān)斷MOSFET來(lái)停止為負載供電。

對熱插拔電路設計的考慮
    
        當釋抑電容充電時(shí)，熱插拔控制電路中的MOSFET須承受大的功耗。對實(shí)現這一目的的MOSFET的選取取決于其安全工作區（SOA）曲線(xiàn)。

        當電路板發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)MOSFET的電流會(huì )顯著(zhù)增加。如果MOSFET不能迅速關(guān)閉，通過(guò)MOSFET的峰值功耗可能會(huì )損壞它。熱插拔控制器還需要監測過(guò)流情況，并觸發(fā)折返式限流機制或關(guān)閉MOSFET。通常在大電流條件下，應在大約1us內關(guān)閉MOSFET。一些熱插拔控制器用“重試”來(lái)使電路板重新開(kāi)始工作，如果電路板發(fā)生故障后自行清除。熱插拔控制器還必須監測低壓情況并在這類(lèi)情況發(fā)生時(shí)隔離這塊電路板。

使用電源管理器件的熱插拔控制器

        許多種熱插拔控制器使用不同的電流控制和其他監控機制。通常，一個(gè)熱插拔控制器的復雜性取決于電路板的功耗要求。下面章節說(shuō)明了如何使用電源管理或平臺管理器件在實(shí)際應用中實(shí)現從簡(jiǎn)單到復雜的熱插拔控制器。

帶有遲滯電流限制機制的熱插拔控制器

        當為更大功耗的電路板設計熱插拔控制器，或者有以下任一或兩種情況都存在時(shí)：
1. 熱插拔操作時(shí)，確保滿(mǎn)足MOSFET的安全工作區域限制。
2. 必須限制背板浪涌電流，防止插入到系統時(shí)，同一系統中的其他電路板受到干擾。
        在這兩種情況下，應使用下面的電路（圖2）。該電路從MOSFET Q1打開(kāi)開(kāi)始工作。電流開(kāi)始上升對電容CH充電。當電流超過(guò)預設值，熱插拔控制器中的邏輯電路會(huì )關(guān)閉MOSFET。此時(shí)，電流開(kāi)始下降。當電流低于預設值，熱插拔控制器中的邏輯電路會(huì )打開(kāi)MOSFET，并且電流開(kāi)始再次上升。這種通過(guò)打開(kāi)/關(guān)閉MOSFET來(lái)限制電流到某一預設值的方法稱(chēng)為遲滯模式。

 

圖2——帶有遲滯電流限制的熱插拔控制器

在短路條件下關(guān)閉MOSFET
        為了防止背板流出的電流過(guò)大，并且為了保護MOSFET防止短路時(shí)功耗過(guò)大，從而對MOSFET造成損害，MOSFET應在電流達到危險電流1us內關(guān)閉。在圖2中，當通過(guò)5V電源的電流超過(guò)短路電流限制時(shí)，電源管理器件的數字輸入引腳IN1由晶體管Q2驅動(dòng)為邏輯0。當通過(guò)RS的電流達到短路電流時(shí)，R2兩端的電壓為0.7V。電源管理器件中的邏輯電路在200ns內就可將MOSFET關(guān)閉。

遲滯控制機制的工作原理
        圖3顯示了MOSFET Q1柵極驅動(dòng)電壓、通過(guò)MOSFET的電流以及電容CH兩端的電壓圖。當Hyst_Ctrl信號打開(kāi)，Q1的柵極電容開(kāi)始充電。同時(shí)，通過(guò)MOSFET的電流也開(kāi)始增加。通過(guò)MOSFET的電流通過(guò)檢測電阻RS。電流檢測放大器（CSA）輸出電流與RS分到串聯(lián)電阻R1和R2上的電壓降成正比。R1和R2兩端的壓降情況是由電源管理器件通過(guò)信號I_In（VMON引腳之一）進(jìn)行監測。當通過(guò)RS的電流超過(guò)允許的最大限值（IH）時(shí)，VMON引腳的比較器輸出翻轉。因此，CPLD中的邏輯關(guān)閉Hyst_Ctrl引腳。當Hyst_Ctrl引腳為邏輯0時(shí)，MOSFET的柵極開(kāi)始放電，通過(guò)MOSFET通道節流，并且通過(guò)MOSFET的電流開(kāi)始下降。I_In引腳的電壓降低。當電壓下降至低于I_In引腳閾值（IL），電源管理器件中的邏輯重新打開(kāi)MOSFET。

        這種循環(huán)節流方式保持平均電流為電流閾值設置所決定的值。這種技術(shù)提供了線(xiàn)性電流控制的許多優(yōu)點(diǎn)，且避免了許多潛在的穩定性的問(wèn)題。

        圖3還說(shuō)明了MOSFET工作的三個(gè)區域。第一個(gè)區域是當CH電壓比較低，轉換Q1的導通截止狀態(tài)。通過(guò)Q1的平均電流大約是2A，并且由軟件設計工具中的邏輯進(jìn)行控制，用以構建電源/平臺管理器件工作的簡(jiǎn)單邏輯。在這個(gè)例子中，當Q1兩端的電壓達到安全電壓值，電流從2A變?yōu)?A（可注意到CH上的電壓升高）。最后，當CH完全充電后，Q1完全導通，并允許穩定的8A工作電流。

        此時(shí)，監測通過(guò)Q1的電流，并對短路（采取快速關(guān)斷）或對過(guò)流采取類(lèi)似斷路器的行動(dòng)。在這兩種情況下，其他的電源管理電路由電源/平臺管理器控制，如定序和復位產(chǎn)生，并且也將發(fā)出信號或者安全關(guān)閉電路板的運行，以防止數據損壞或者更嚴重損壞的情況發(fā)生。由于熱插拔功能與其他電源管理功能在同一器件上的緊密集成，所以很可能發(fā)生這種損壞電路板的現象。
 


圖3——用MOSFET的遲滯電流控制

可編程功能
該電路提供許多可編程特性使其適用于各種應用。
• 比較器閾值可以改為適合不同的背板電壓，如5V或3.3V。
• 接觸去抖周期可在50ms到2s之間變化。
• 過(guò)流和短路電流可以分別設置。
• 設計可被用于實(shí)現雙電源背板的雙熱插拔控制器。
• 釋抑時(shí)間從2至100ms可編程（在電源故障狀態(tài)下，MOSFET應仍然打開(kāi)）。過(guò)了這段時(shí)間，關(guān)斷MOSFET。

可用的Power Manager II或Platform Manager器件
       
        這個(gè)例子使用萊迪思的ispPAC-POWR1014A電源管理器件來(lái)實(shí)現遲滯控制熱插拔功能。然而，遲滯控制也可以使用LPTM-1247/12107、ispPAC-POWR1220AT8、ispPAC-POWR1014和ispPAC-POWR607器件實(shí)現。