基于LT1641的雙路熱插拔電路設計

　　0 引言

　　很多大型數據系統中都會(huì )采用"背板+插件板"結構。這樣，在更換維護插件板時(shí)，通常都希望在不影響系統工作的情況下帶電插拔。電路上電或帶電插拔時(shí)，一般會(huì )產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流和電壓波動(dòng)，這些現象將影響設備的正常工作，甚至導致整個(gè)系統的損害。當一塊插件板插入工作背板或者從工作背板拔出時(shí)，插件板上附加電容的充放電會(huì )給工作背板提供一個(gè)低阻抗，此時(shí)背板到插件板的高涌入電流可能會(huì )燒毀連接器和電路元件，或者暫時(shí)使背板陷落以導致系統重啟。這種現象就是熱插拔現象。

　　所謂熱插拔(Hot Swap)，就是允許用戶(hù)在不關(guān)閉系統或不切斷電源的情況下，取出和更換損壞的硬盤(pán)、電源或板卡等部件，換句話(huà)說(shuō)，就是系統出現故障的部件能進(jìn)行帶電更換。從而提高系統對災難的及時(shí)恢復能力、擴展性和靈活性。熱插拔過(guò)程一般分為三個(gè)步驟：一是物理連接過(guò)程，分插入和拔出兩種情況；二是硬件連接過(guò)程，主要指的是與系統相連的硬件層的電氣連接；三是軟件連接過(guò)程，主要指的是與系統相連的軟件層的連接。

　　本文主要針對某大型數據系統帶有雙路電壓結構的插件板進(jìn)行熱插拔電路的設計。所討論的熱插拔概念主要是針對硬件的熱插拔，即在帶電狀態(tài)下安全地插拔電路板。其基本要求是不影響系統的運行，以便于系統的維護和重新配置。其典型應用有基站、磁盤(pán)冗余陣列(RAID)、遠程接人服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )路由器、網(wǎng)絡(luò )交換器以及ISDN系統等。

　　1 電路設計

　　某大型數據系統插件板由一路48 V工作電壓和一路3.3 V待機電壓供電。該插件板耗電高達1000 W(48 V／20 A)，插件熱插拔時(shí)兩路電壓均需支持熱插拔。兩路電壓的上電要求有先后順序，48 V必須在3.3 V產(chǎn)生之后才能輸出。插件板推入帶電背板時(shí)，3.3 V熱插拔電路首先上電。在3.3 V穩定輸出后，48 V熱插拔電路開(kāi)始工作。如果3.3 V熱插拔電路工作不正常，則48 V熱插拔電路將被強行關(guān)閉。

　　1.1 3.3 V緩沖電路設計

　　由于3.3 V電源是一個(gè)待機電源，屬于低電壓(3.3 V)、小電流(<2 A)。所以在緩沖電路設計過(guò)程中，主要考慮的是控制浪涌電流，同時(shí)力求電路設計簡(jiǎn)單實(shí)用。因此，3.3 V熱插拔電路由電容C1、穩壓管D1和MOSFET U1構成。通過(guò)對連接在U1柵、源極之間的電容C1充電可達到限制浪涌電流的目的。為了避免插件板插入帶電背板時(shí)產(chǎn)生很大的浪涌電流。要求插件板板上的電壓應當斜坡式上升，其電壓上升過(guò)程的持續時(shí)間大約為30ms。

　　本電路中的MOS管選用P溝道的IRF7410，該器件的最大工作電流ID為-16 A，開(kāi)啟電壓VGS(th) 最大值為0.9 V，其電路如圖1所示。

　　當插件板插入背板時(shí)，熱插拔電路中的RC電路開(kāi)始工作，t<0時(shí)，熱插拔電路已處于穩態(tài)，電容電壓uc(0_)為0；t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，電源VIN開(kāi)始對電容進(jìn)行充電。此后在初始時(shí)刻，由于uc(0+)=uc(0_)=0，電容相當于短路，其充電電流i(0+)=[VIN-uc(0+)]／R=VIN／R。之后，隨著(zhù)時(shí)間t的延長(cháng)，電容電壓uc(t)逐漸增大，充電電流隨之減小。當t→∞時(shí)，uc(∞)=VIN，充電電流i(∞)=0，此時(shí)電容如同開(kāi)路，充電停止，電路進(jìn)入穩態(tài)。根據KVL及元件的伏安關(guān)系，可得出換路后電路的方程為：

　　1.2 48 V熱插拔電路設計

　　48 V熱插拔電路因為其電壓高、電流較大，所以，要求具具有更高的可靠性和可維護性，此時(shí)，上述普通的熱插拔電路已經(jīng)不能滿(mǎn)足該電路的設計需要。而現在流行的各種熱插拔控制器可在極小的封裝內提供多種功能(如具有可編程設置的電流檢測門(mén)限、反饋限流、短路保護、過(guò)壓保護、欠壓鎖定等)，正好滿(mǎn)足該電路設計的需要。因此，48 V熱插拔電路可在熱插拔控制器的基礎上搭建其外圍電路。

　　由于該路的電源電壓48 V，工作電流為20A。結合對各種芯片的比較，本設計最終選定的熱插拔控制器是正壓熱插拔控制器LT1641。LT1641是一款完全集成的8引腳Hot Swap熱插撥正壓控制器，它允許將電路板安全的從帶電的背板中插入或拔出，而不會(huì )在背板的電源上產(chǎn)生脈沖干擾。它可通過(guò)控制外部的N溝道MOSFET，來(lái)使電路板的電壓按設定的速率線(xiàn)性增加，直至達到電源電壓。同時(shí)，該器件還具有可編程的折返式限流特性，可通過(guò)電子斷路器提供短路故障保護及限流功能。其工作電壓范圍為9～80 V。

　　LT1641的引腳ON可用來(lái)檢測欠壓鎖定閥值，并且在發(fā)生故障后復位器件；FB腳為電源就緒比較器輸入，從輸出端到FB再到GND應接一個(gè)電阻分壓器，以監控輸出電壓，此外，FB還可用作折返限流功能反饋；PWRGD為開(kāi)漏電源就緒輸出，當VFB高于VFBH時(shí)，PWRGD為高，當VFB低于VFBL時(shí)，PWRGD為低；TIMER為定時(shí)輸入，在TIMER到GND間連接一只電容可以設定器件維持限流狀態(tài)的最長(cháng)時(shí)間；GATE為外部高側N溝道MOSFET的柵極驅動(dòng)；SENSE為電流檢測輸入端口，從VCC到SENSE和外部N溝道MOSFET的漏極應接一只檢測電阻。

　　MOS功率管選用N溝道的IRFPS3810。該器件的最大工作電流為170 A，可承受20 A的工作電流。其開(kāi)啟電壓UT為5 V。當VGS為12 V時(shí)，MOS管完全導通。LT1641在48 V輸入電壓下的GATE端驅動(dòng)電壓(VGATE-VCC)為15.5 V，也就是說(shuō)，LT1641完全有能力驅動(dòng)IRFPS3810。而IRF-PS3810在完全導通的狀態(tài)下的VDS約為0.15 V，也就是說(shuō)其導通時(shí)MOS管的內阻很小，輸出電壓基本沒(méi)有壓降。

　　圖1電路中的電阻R3用于檢測電流，電容C7用于控制GATE擺率。電阻R6用于抑制Q1里的高頻振蕩，電阻R7為補償電阻，可補償電流控制環(huán)。電阻R4和R5可檢測欠壓狀態(tài)。

　　當插件板插入帶電的背板中使VON大于1.313V時(shí)，芯片將開(kāi)始工作。由于此時(shí)容易出現較大的瞬態(tài)電流。當該電流超過(guò)電路所能承受的最大電流時(shí)，檢測電阻RS兩端的電壓(即VCC-VSENSE)就會(huì )大于47 mV，從而激活限流電路。由于80μA上拉電流源被連接到LT1641的TIMER引腳，因而在限流電路工作期間，該引腳的電壓就以77μA／CTIMER斜率上升，當VTIMER大于1.233 V時(shí)，內部故障鎖存器被置位，GATE立即下拉到GND，從SENSE引腳檢測到的GATE引腳的電壓開(kāi)始下降，此過(guò)程大約需要幾微秒到幾十個(gè)微秒。當芯片開(kāi)始正常工作之后，GATE引腳的電壓則以10μA／C3的速度上升，由于LT1641芯片由GATE引腳來(lái)控制外部N溝道MOSFET，因此，VGATE上升將使外部N溝道MOS管IRFPS3810的VGS上升，當VGS大于UT時(shí)，MOS管導通，并最終使VOUT=VIN=48 V，整個(gè)電源緩沖過(guò)程結束。如果電源供電過(guò)程中，電源不穩定或者是插件板從帶電的背板中拔出，則會(huì )使得VON小于1.233 V而關(guān)閉LT1641芯片，從而使電路停止工作。

　　1.3雙路電壓互鎖電路設計

　　3.3 V電源是系統的待機電源。主要用在系統啟動(dòng)前控制電路進(jìn)行一些必要的初始化工作。48V電源才是系統正常工作時(shí)的供電電源。系統只有在待機狀態(tài)下才能進(jìn)入工作狀態(tài)，因此需要3.3V熱插拔電路的輸出電壓正常穩定后才能啟動(dòng)48V電源，它們的順序不能顛倒。由于3.3 V熱插拔電路和48 V熱插拔電路的工作電壓和工作電流相差很大，因此，若將3.3 V熱插拔電路輸出直接連到48 V熱插拔電路的輸入端來(lái)驅動(dòng)48 V熱插拔電路工作，則3.3 V供電電路將存在很大的危險性，因此，本設計需要采用隔離驅動(dòng)的方式。

　　選用常閉型光電耦合器AQV414S可實(shí)現3.3 V熱插拔電路對48 V熱插拔電路的隔離驅動(dòng)。設計時(shí)?？捎?.3 V熱插拔電路的輸出電壓直接驅動(dòng)光耦，然后用光耦的輸出端控制LT1641的開(kāi)啟／關(guān)閉，從而控制輸人腳ON。

　　2電路測試與驗證

　　圖2所示是帶10 Ω負載的緩沖電路在接通時(shí)，3.3 V電壓的過(guò)渡過(guò)程波形圖。圖中給出的是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，示波器同時(shí)捕捉輸入緩沖電路的電壓波形(Ch1)及電流波形(Ch2)。而當開(kāi)關(guān)合上時(shí)，由于IRF7410的作用，輸入電壓延時(shí)約100 ms才開(kāi)始給電容充電。此時(shí)，電路中同時(shí)產(chǎn)生了流人電容的充電電流和流過(guò)電阻的負載電流，它們對3.3 V輸入電壓沒(méi)有影響。充電過(guò)程結束后，負載電流趨于平穩，電路很好地限制了充電電流，從而解決了之前實(shí)驗中合上開(kāi)關(guān)時(shí)將產(chǎn)生很高的尖鋒電流的問(wèn)題。

　　由圖2可見(jiàn)，當實(shí)驗顯示當輸出電流小于5 A時(shí)，48 V熱插拔電路可以正常啟動(dòng)，輸入電壓上升時(shí)間大于50 ms。

　　圖3為48 V熱插拔電路帶5 A負載時(shí)。在起動(dòng)ON信號后測試的輸入充電電流波形CH2及VGS電壓波形CH1。由圖3可見(jiàn)，當顯示輸出電流大于6A時(shí)，電路就不能正常啟動(dòng)而處于脈動(dòng)狀態(tài)。這是因為所選用的LT1641芯片的FB腳電壓VFB小于0.5 V時(shí)，限流電阻上的壓降(VCC-VSENSE)只能小于12 mV的緣故。而當限流電阻上的壓降大于12mV時(shí)，LT1641芯片將啟動(dòng)過(guò)流保護電路，以將GATE引腳電壓下拉至零，從而關(guān)閉MOS管?？梢?jiàn)，必須等48 V輸出正常后才能將后級負載釋放。這一點(diǎn)可以通過(guò)給Powergood信號增加電容延時(shí)并送給后級的控制電路來(lái)實(shí)現。

　　3 結束語(yǔ)

　　本文針對兩路插件板供電電壓設計了不同的熱插拔電路并實(shí)現了兩路互鎖。該方法既滿(mǎn)足了系統可靠性和可維護性等方面的要求。同時(shí)又降低了成本。本文所設計的電路已經(jīng)在實(shí)際系統中投入使用，其實(shí)用性和穩定性已經(jīng)通過(guò)系統驗證。