電信系統的熱插拔設計:避免拼湊、支持高效設計

浪涌電流控制的“拼湊”方案

有幾種已知的峰值浪涌電流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法則僅僅是降低了熱插拔對系統的影響。下面對介紹了幾種拼湊式的實(shí)施方案。

預充電引腳或“早供電”(例如：電阻法)

一種控制浪涌電流的方法是使用“交錯式引腳”，也稱(chēng)為“早供電引腳”、“預充電壓”或者是“預先加載”引腳。從物理架構上引入交錯引腳，從而使新板卡正確插入，這種連接方式曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)。熱插拔過(guò)程中，通過(guò)串聯(lián)電阻控制浪涌電流。

預充引腳法是一種最基本的熱插拔控制方案，通過(guò)一長(cháng)、一短兩個(gè)電源引腳組成，如圖4所示。長(cháng)電源引腳首先接觸到電源并通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻R_PRECHARGE開(kāi)始為新板卡的濾波、旁路電容充電。R_PRECHARGE限制充電電流。板卡將要完全插入時(shí)，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長(cháng)電源引腳的電阻R_PRECHARGE，為板卡供電提供一個(gè)低阻通道。信號引腳通常在插入板卡的最后時(shí)刻接入。


圖4. 智能連接器提供有效的熱插拔保護

該方案中，電阻R_PRECHARGE是保護器件，把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳或干擾相鄰板卡工作的水平。有些工程師還會(huì )在此架構中對地增添一個(gè)電感和/或二極管。

本文將預充引腳法當作一種“拼湊式”方案的主要原因是其不能控制濾波電容的充電速率。這種架構需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：短引腳相對于長(cháng)引腳的線(xiàn)長(cháng)，板卡插入系統的快、慢。另外，這是一種機械方案，考慮到連接器的機械容差，完全相同的引腳長(cháng)度并不能確保接觸時(shí)間精確相同。實(shí)際應用中用戶(hù)會(huì )看到上述不同變數。而且，當短電源引腳略長(cháng)、PCB被快速插入背板時(shí)，R_PRECHARGE將在輸入電容充滿(mǎn)電之前被短路，因此，這種看似可靠的方案實(shí)際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。

該架構的另一個(gè)關(guān)鍵設計步驟是選擇R_PRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會(huì )直接影響系統工作。預充電阻的選擇必須權衡預充電流和浪涌電流。

最后，交錯式引腳方案需要一個(gè)特殊的連接器，這在行業(yè)中也是難以接受的。

從上述討論可以看出，預充引腳架構的作用非常有限，也很難達到精確可靠的水準。它對于啟動(dòng)過(guò)程中的電流控制毫無(wú)價(jià)值，也不具備輸出過(guò)壓(OV)和欠壓(UV)監測功能。

熱敏電阻(電流-時(shí)間特性)法

另一種熱插拔實(shí)施方案是熱敏電阻熱插拔控制法。熱敏電阻為電子元件，阻值在溫度變化時(shí)將發(fā)生顯著(zhù)變化(電阻是溫度的函數)。根據溫度變化進(jìn)行系統調節的電路應用非常普遍。負溫度系數(NTC)熱敏電阻的電流-時(shí)間特性取決于其溫度特性，在其應用電路中的功率耗散很穩定。電流-時(shí)間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個(gè)外部MOSFET使用¹。


圖5. 基于熱敏電阻的熱插拔電路¹