大功率刀片的-48V熱插拔控制器設計

刀片必須插入機架而不能影響背板上其余刀片的工作。最新插入的刀片將利用背板的電源工作。如果檢測到刀片發(fā)生故障，必須從插槽中把這個(gè)刀片拔掉，再把新的刀片插入同一個(gè)插槽以恢復服務(wù)。

把刀片插入運行中的背板或拔掉的過(guò)程稱(chēng)為“熱插拔”?？芍С诌@個(gè)功能的刀片稱(chēng)為“可熱插拔”的刀片。

熱插拔控制器電路的組成部分及其工作原理

當刀片插到背板上時(shí)，刀片上所有連接到背板的電容開(kāi)始充電，從背板汲取大量的電流。浪涌電流會(huì )導致背板電壓瞬間下降，并在連接器上產(chǎn)生電弧。過(guò)多的浪涌電流可使背板電源超載，從而完全關(guān)閉電源，并影響機架上其余刀片的工作。

為盡可能地減小電路板熱拔插對機架上其余刀片的影響，在熱插拔期間需限制刀片的浪涌電流。限制浪涌電流的電路被稱(chēng)為“熱插拔控制器電路”。

圖1顯示了在刀片中實(shí)現的熱插拔控制器電路的主要部分。從圖的左上方開(kāi)始著(zhù)順時(shí)針?lè )较蛎枋鲭娐罚篏ND端通過(guò)肖特基二極管將電源送至DC/DC轉換器。DC/DC模塊是一個(gè)產(chǎn)生有效載荷電源電壓(12V，5.6V等)的獨立電源。DC/DC轉換器的負端通過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)和電流感測電阻連接到-48V電源。DC/DC轉換器兩端的隔離(hold-off)電容保留了足夠的電荷以確保電路板在背板電壓降低期間保持運作。熱插拔控制器利用電流感測電阻和V_{MOSFET 信號來(lái)監控MOSFET電流和電壓，以便控制在發(fā)生浪涌時(shí)MOSFET消耗的功率。}

圖1：典型的熱插拔控制器電路。

當板卡被插入背板時(shí)，可以看到由MOSFET寄生電容引起的短暫的浪涌電流脈沖(通常為幾毫秒)。此外，由于連接器的觸點(diǎn)顫動(dòng)，電源以脈沖的方式加到刀片上。熱插拔控制器可使MOSFET和DC/DC轉換器在觸點(diǎn)顫動(dòng)停止前處于關(guān)閉狀態(tài)。然后利用電流感測電阻上的電壓作為反饋電壓慢慢地打開(kāi)MOSFET，這樣做是為了將浪涌電流值限制在刀片電源電流的最大給定值以下。該電流將對個(gè)隔離電容充電，直到V_MOSFET引腳處的電壓接近-48V。此時(shí)DC/DC轉換器被打開(kāi)，以便為刀片的有效負載部分供電。

當有另外的板卡插入而使背板電壓下降時(shí)，隔離電容的作用是保證電路板處于工作狀態(tài)。隔離電容的大小與刀片消耗的總功率，以及防止出現欠壓的需求直接成正比。當欠壓情況下的脈沖寬度超過(guò)預置的時(shí)間限制時(shí)，將其歸為“電源欠壓”情況，此時(shí)欠壓鎖定過(guò)程開(kāi)始。欠壓鎖定過(guò)程關(guān)閉MOSFET，直到背板電壓恢復到正常值。在欠壓的情況下，與GND串聯(lián)的肖特基二極管可阻止來(lái)自隔離電容的反向電流流入背板。

熱插拔控制器還能夠檢測到電源故障，例如欠壓和過(guò)流。在這兩種情況下，熱插拔控制器將在故障排除后重新為刀片供電。

針對大功率刀片的熱插拔控制器設計考慮

對于低功耗設計而言，熱插拔控制器電路比較簡(jiǎn)單，這是因為背板電流非常小。但是，由于現代刀片具有更高級的功能，它需要消耗更多的功率。例如，許多ATCA刀片消耗的功率約為200瓦。為了與現今刀片設計日漸增加的功耗相適應，必須增大隔離電容的容量，并使用大功率的MOSFET。

1. 增大隔離電容容量的影響

由于浪涌電流的大小與電容成正比，對于機架上的其它刀片，增加隔離電容的容量可能會(huì )導致欠壓周期較長(cháng)。在欠壓周期之后，熱插拔控制器應使MOSFET完全開(kāi)啟以便隔離電容快速充電。在此期間電容的充電電流可以高于過(guò)流限制。因此，熱插拔控制器應暫時(shí)中止其電流限制。

2. 電流浪涌期間MOSFET的功耗

當隔離電容開(kāi)始充電時(shí)，電容上的電壓近似為0V，全部背板電壓被加到MOSFET上。因此MOSFET的瞬時(shí)功耗非常大。例如，在正常工作期間，功率為200瓦的刀片從-48V背板汲取4A的電流。這種刀片的過(guò)流閾值為5A，熱插拔控制器在上電期間將浪涌電流限制在這個(gè)值以下。當隔離電容開(kāi)始充電，MOSFET將消耗48V 5A的功率(幾乎達到250瓦)。如此大的功率已經(jīng)超過(guò)了用來(lái)控制200瓦刀片的MOSFET的安全工作范圍。

設計者必須確保MOSFET的功率范圍不會(huì )超過(guò)其安全工作區(SOA)。否則電路的可靠性將會(huì )受到影響。圖2展示了MOSFET的典型安全工作區。

圖2：MOSFET的安全工作區。

雙對數圖中的X軸表示MOSFET(VDS)上的電壓，Y軸表示MOSFET上的電流。對于一個(gè)給定的電流脈沖寬度，安全電流脈沖振幅具有多條曲線(xiàn)。曲線(xiàn)以下的區域就是MOSFET的安全工作區。設計者應確保MOSFET的工作不會(huì )超出安全工作區(包括短暫的啟動(dòng)期間)。此外，應仔細考慮MOSFET在正常工作期間消耗的平均功率，以免MOSFET受損。

3. 短路保護

可能出現的任何電路故障，都可能使刀片吸收大量電流。電路故障可能發(fā)生在DC/DC轉換器之前的高電壓端，或DC/DC轉換器之后的次級，或者DC/DC轉換器本身。如果將一個(gè)出現過(guò)流故障的刀片插入背板，熱插拔控制器應能夠迅速反應并對電流進(jìn)行限制，同時(shí)確保MOSFET工作在SOA內，以盡量減小它對同一機架上其它刀片的干擾。

4. 對電源故障的反應

在刀片工作期間，故障可能發(fā)生在背板電源或者負載部分。背板的故障可能會(huì )在欠壓狀況下持續一段短暫時(shí)間(由延遲時(shí)間決定)或者持續一段較長(cháng)的時(shí)間，此時(shí)熱插拔控制器應處于等待狀態(tài)直到故障被排除，然后進(jìn)行重新連接。如果刀片負載部分汲取的功率超過(guò)指定值，則熱插拔控制器應關(guān)斷電路板電源。

熱插拔控制器設計實(shí)例

本小節描述的熱插拔控制器電路采用的是低成本可編程電源管理器件，例如萊迪思半導體公司的POWR607(如圖3所示)。這個(gè)熱插拔電路涉及前文討論的設計考慮。

圖3：可編程電源管理器件的模塊示意圖。

這個(gè)可編程器件可利用6個(gè)可編程閾值比較器監控多達6個(gè)電路板電源。此外，該器件提供了多達7路開(kāi)漏(open-drain)數字輸出。7路輸出中有兩路可配置成高壓MOSFET驅動(dòng)器。還有兩路通用數字輸入可用于各種輔助控制功能。芯片上的16個(gè)PLD宏單元和4個(gè)可編程定時(shí)器可為熱插拔控制器算法提供靈活控制。在下文中，電源管理器件指的是可編程熱插拔控制器。

圖4是使用可編程熱插拔控制器的-48V熱插拔電路?？删幊虩岵灏慰刂破骺刂芃OSFET(STB120NF)，參見(jiàn)電路圖的右下角，它用于控制浪涌電流，同時(shí)使MOSFET工作在其SOA內?？刂破骼肕OSFET左邊的電流感測電阻監控電路中的電流。通過(guò)43k和3.3k的分壓器對背板電壓和MOSFET兩端的電壓進(jìn)行監控。6V齊納管用來(lái)保護可編程熱插拔控制器的輸入部分。

圖4：采用可編程熱插拔控制器的-48V熱插拔電路。

當刀片插入背板時(shí)，可編程熱插拔控制器等待觸點(diǎn)彈開(kāi)以進(jìn)行設置，然后利用電流脈沖代替恒流反饋對隔離電容充電。電流脈沖的速率是可編程的，以滿(mǎn)足MOSFET的功耗特性。一旦電壓達到設定的閾值，則電流脈沖的速率提高，以加速對隔離電容的充電。隔離電容完全充電后，MOSFET完全導通并激活Power_Good信號。這個(gè)信號被用來(lái)觸發(fā)DC/DC轉換器。通過(guò)監控可編程熱插拔控制器輸入端的兩個(gè)電壓來(lái)監控MOSFET上的電壓。針對第一個(gè)電壓監控(快速充電周期閾值)設置的可編程閾值決定著(zhù)隔離電容從慢速充電到快速充電的轉變。第二個(gè)閾值(軟啟動(dòng))則表明隔離電容充電結束，MOSFET完全開(kāi)啟。

可編程熱插拔控制器需等待一段預置時(shí)期(由短路看門(mén)狗定時(shí)器決定)，等待MOSFET上的電壓降到低于快速充電閾值。如果MOSFET電壓未降到快速充電閾值以下，則MOSFET關(guān)閉，表明出現諸如短路的故障。采用這種方法，即使出現了短路，MOSFET仍可繼續工作在其安全工作區內。

在正常工作期間，當背板電壓降到低于設置的閾值時(shí)，可編程熱插拔控制器感測欠壓周期的開(kāi)始，并啟動(dòng)5毫秒的內部可編程定時(shí)器。如果電源在5毫秒內恢復，則電路繼續正常工作。如果超過(guò)5毫秒，那么熱插拔控制器認為這是欠壓事件，并轉到功率再循環(huán)(power recycle)程序，等待電源穩定后開(kāi)始對隔離電容進(jìn)行再充電。

在正常工作期間仍可持續監控電流。如果電流超過(guò)了預置的限制值，則可編程熱插拔控制器通過(guò)立即關(guān)閉MOSFET來(lái)保護電路。

圖5中上方的示波器曲線(xiàn)展示了在脈沖寬度為5毫秒，用1.5A的電流脈沖對隔離電容充電的狀況。下方的曲線(xiàn)是對4,700uF 隔離電容充電時(shí)MOSFET上的電壓。

圖5：隔離電容的充電電流和MOSFET上的電壓。

用兩個(gè)可編程熱插拔控制器的MOSFET驅動(dòng)器驅動(dòng)MOSFET的柵極。一個(gè)MOSFET驅動(dòng)器將電流幅值維持在1.5A，另一個(gè)MOSFET驅動(dòng)器控制調制率。在這個(gè)電路中，調制率特別限制為每260毫秒區間內一個(gè)5毫秒的脈沖。這將最壞情況下(短路期間)MOSFET消耗的平均功率限制為1.5A48V5ms/260ms=1.4W。

定制可編程熱插拔控制器

完整的熱插拔算法可以用可編程熱插拔控制器的16個(gè)宏單元PLD來(lái)實(shí)現。設計者可以根據客戶(hù)的需求定制該算法以適應對刀片的要求?？梢远ㄖ瓶删幊虩岵灏慰刂破鞯南铝袇担?BR>1. 短路電路看門(mén)狗周期：如果在規定的時(shí)間段內隔離電容不充電，則關(guān)閉MOSFET。
2. 充電電流脈沖寬度：將脈沖寬度設置為可確保MOSFET在其安全工作區內工作。
3. 充電電流脈沖頻率：這個(gè)參數和充電電流脈沖寬度決定了一個(gè)給定MOSFET的功耗。
4. 再循環(huán)前最小延遲時(shí)間：決定了刀片防止欠壓能力。
5. 電流感測等級：該參數通過(guò)選擇Rsense電阻來(lái)設定。
6. 充電電流脈沖的高度：由Rsense電阻值決定，設置充電電流脈沖的振幅。
7. 電路斷路器電流：?jiǎn)?dòng)關(guān)斷和重啟動(dòng)的最大電流值。
8. 終止軟件啟動(dòng)操作：設置MOSFET完全開(kāi)啟并產(chǎn)生Power_Good信號時(shí)的電壓，。
9. 轉換到快速充電的占空比：確定電壓，在該電壓下增大充電脈沖頻率以便安全縮短隔離電容的充電時(shí)間。
10. 最小工作電壓：確定背板電壓，電壓低于該值時(shí)欠壓過(guò)程開(kāi)始。
11. 過(guò)壓上限：高于這個(gè)電壓時(shí)，MOSFET關(guān)閉以保護刀片電路。

本文小結

刀片功能的增多使得刀片的功耗不斷增加，因此對熱插拔控制器的安全性能也提出了更苛刻的要求。傳統的熱插拔控制解決方案功能有限，無(wú)法在不損失性能的情況下完全滿(mǎn)足大功率刀片的要求。

利用Lattice POWR607可編程熱插拔控制器，本文中討論的熱插拔控制器電路可提供許多可編程的特性，使設計者能夠應對由增加功耗所帶來(lái)的挑戰，同時(shí)增強刀片的可靠性。這一設計可確保MOSFET即使在刀片里出現短路的情況下也工作在安全工作區內。通過(guò)改進(jìn)防止欠壓、過(guò)流保護、過(guò)壓保護和出現故障時(shí)自動(dòng)重試的能力，進(jìn)一步增強了刀片的可靠性。此外，盡可能減小對機架上其它刀片的干擾可使刀片“更有益于熱插拔”。

利用Lattice POWR607可編程熱插拔控制器等器件，設計者可以對所有刀片上的熱插拔控制器結構進(jìn)行標準化，因為熱插拔算法可以針對客戶(hù)需求定制，以滿(mǎn)足各種電路板的功率要求。