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在工業(yè)控制現場(chǎng)PLC/DCS、刀片式服務(wù)器和冗余存儲磁盤(pán)陣列(RAID)等高可用性系統，需要在整個(gè)使用生命周期內具有接近零的停機率。如果這種系統的一個(gè)部件發(fā)生了故障或需要升級，它必須在不中斷系統其余部分的情況下進(jìn)行替換，在系統維持運轉的情況下，發(fā)生故障的板卡被移除，替換板卡被插入，被稱(chēng)為熱插拔(Hot Swap)。 任何一個(gè)板卡都具有一定的負載電容，當板卡插入正常工作背板時(shí)，背板電源將使用較大的瞬時(shí)電流對插入板卡負載電容充電;當板卡從正常工作背板拔出時(shí)，由于板卡上的負載電容放電，在板卡與背板之間會(huì )形成一條低阻通路，也將產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流。浪涌現象會(huì )導致背板電源瞬時(shí)跌落，造成系統意外復位，甚至損壞接口電路，對于熱插拔保護電路的研究將成為背板結構設備推廣應用的關(guān)鍵。 1 控制策略比較 1.1 交錯引腳法 “交錯引腳法”也稱(chēng)為“預充電引腳法”，是一種最基本的熱插拔浪涌電流控制方案，從物理結構上引入一長(cháng)、一短兩組交錯電源引腳，在長(cháng)電源引腳上串聯(lián)了一個(gè)預充電電阻。板卡插入背板時(shí)，長(cháng)電源引腳首先接觸到電源，通過(guò)預充電電阻為插入板卡負載電容充電，并進(jìn)行濾波和充電電流限制，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)電源引腳的預充電電阻，為插入板卡供電提供一個(gè)低阻通道，信號引腳在插入板卡的最后時(shí)刻接入。板卡從背板拔出時(shí)，控制過(guò)程正好相反，長(cháng)電源引腳最后與背板分離，通過(guò)預充電電阻為板卡負載電容放電。 交錯引腳法不能控制負載電容的充電速率，預充電電阻的選擇必須權衡預充電流和浪涌電流，如果電阻選擇不合理，會(huì )影響系統工作。交錯引腳方案需要一個(gè)特殊的連接器，這將會(huì )給選型設計帶來(lái)一定的困難。 1.2 熱敏電阻法 熱敏電阻法采用一個(gè)負溫度系數(NTC)熱敏電阻配合一個(gè)外部MOSFET使用，其工作原理是：NTC熱敏電阻置于功率MOSFET盡可能近，熱敏電阻上的溫度與功率MOSFET外殼的溫度直接成正比，控制MOSFET柵極電壓控制器的開(kāi)關(guān)門(mén)限輸入電平與熱敏電阻上的溫度成反比。板卡在背板上進(jìn)行熱插拔時(shí)，MOSFET在瞬時(shí)浪涌電流的作用下溫度升高，NTC熱敏電阻上的溫度隨著(zhù)升高，柵極電壓控制器開(kāi)關(guān)門(mén)限電平下降，來(lái)達到對板卡熱插拔時(shí)浪涌電流控制。 采用熱敏電阻法時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題是，當板卡連續反復插拔時(shí)，熱敏電阻可能沒(méi)有足夠的冷卻時(shí)間，從而在隨后的熱插拔事件中不能有效限制浪涌電流。同時(shí)需要考慮NTC熱敏電阻的反作用時(shí)間引起的長(cháng)期可靠性問(wèn)題，板卡環(huán)境溫度及熱敏電阻自身因素對可靠性設計帶來(lái)的問(wèn)題。 1.3 熱插拔控制器 熱插拔控制器是當前最好的熱插拔解決方案，它在單芯片內集成了過(guò)壓和欠壓保護、過(guò)載時(shí)利用恒流源實(shí)現有源電流限制、電源電壓跌落之前斷開(kāi)故障負載、利用外部FET構成“理想二極管”提供反向電流保護以及發(fā)生負載故障后自動(dòng)重啟等功能。此外，新一代熱插拔控制器集成了全面的模擬和數字功能，在板卡插入并完全上電后，可連續監測電源電壓、電流、功率以及器件溫度，實(shí)時(shí)提供短路和過(guò)流保護，并且可以識別故障板卡，在系統完全失效或意外關(guān)閉之前撤掉故障板卡。熱插拔控制器可有效控制熱插拔過(guò)程中的浪涌電流，并在系統正常運行后提供過(guò)流和負載瞬變保護，降低了系統失效點(diǎn)，保證了可熱插拔系統的長(cháng)期可靠運行，熱插拔控制器應用示意圖如圖1所示。 圖1 熱插拔控制器應用示意圖 2 應用實(shí)例設計 2.1 TPS2491功能結構 TPS2491是TI推出的一款正高壓熱插拔控制器，支持9—80 V正壓系統，適用于保護新興正高壓分布式電源系統，如12 V、24 V與48 V服務(wù)器背板、存儲域網(wǎng)絡(luò )、醫療系統、插入模塊以及無(wú)線(xiàn)基站等。TPS2491的可編程電源與電流限制功能有助于確保外部MOSFET在適當的電壓、電流與時(shí)間條件下始終保持在其安全工作區(SOA)范圍內進(jìn)行工作。在正常工作期間，外部MOSFET可在最大的柵源電壓下工作，以盡可能降低通道電阻。在進(jìn)行啟動(dòng)及出現短路的情況下，可對柵極-源極電壓進(jìn)行調制，以便提供已定義的啟動(dòng)時(shí)間，避免損壞外部MOSFET，TPS2491功能框圖如圖2所示。 圖2 TPS2491功能框圖 1)上電啟動(dòng)過(guò)程 欠壓鎖定(UVLO)和芯片使能(EN)均超過(guò)其門(mén)限電平時(shí)，GATE、PROG、TIMER和PG引腳置為有效狀態(tài)，外部MOSFET在GATE驅動(dòng)下被打開(kāi)，控制器使用VSENSE-OUT和VVCC-SENSE分別監測通過(guò)MOSFET漏極到源極的電壓(VDS)和電流(ID)。 2)電流控制及可編程 控制器通過(guò)外部感應電阻Rs兩端的電壓降來(lái)監測流過(guò)MOSFET的電流ID，當浪涌電流出現時(shí)，通過(guò)降低MOSFET柵極電壓，保持感應電阻兩端壓降50 mV，來(lái)達到對熱插拔時(shí)浪涌電流的控制。通過(guò)變換感應電阻Rs阻值的大小，來(lái)調節最大輸出電流。 3)MOSFET耗散功率限制 控制器通過(guò)RPOG引腳的輸入電壓來(lái)確定MOSFET上允許的最大耗散功率，即VPROG=PLIM/(10*ILIM)，結合所選外部MOSFET的SOA來(lái)確定定時(shí)電容GT的大小，保證MOSFET始終保持在其安全工作區工作。 4)過(guò)載保護 一個(gè)積分電容CT被連接到TIMER引腳提供過(guò)載延時(shí)定時(shí)和控制器重啟間隔定時(shí)。熱插拔或輸出短路造成電源電壓下降時(shí)，CT進(jìn)行充電，TIMER定時(shí)開(kāi)始，此時(shí)MOSFET柵極驅動(dòng)電路控制ID恒流，當CT充電達到4 V時(shí)，GATE引腳被拉低，MOSFET被關(guān)斷。此后內部電路控制CT進(jìn)行放電，當放電到達1 V時(shí)，GATE重新進(jìn)行使能，控制器自動(dòng)重啟。此后，如果仍然過(guò)載，則上述過(guò)程將重復進(jìn)行。 2.2 24V保護電路設計 本節基于TPS2491詳細介紹正壓24 V熱插拔電路的設計過(guò)程，電路原理圖如圖3所示，設定VIN(MAX)=24 V，最大輸出電流IMAX=1.5 A。 圖3 24V熱插拔電路原理圖 1)感應電阻Rs(圖3中R7)選型 Rs=0.05/(1.2×IMAX)，取值33 mΩ，IMAX≈1.5 A。 2)外接MOSFET選型 外接N溝道MOSFET VDS耐壓要大于輸入電壓和瞬態(tài)過(guò)沖，并要有一定的余量，并且RDSON(MAX)要滿(mǎn)足， 其中TJ(MAX)一般取125℃，熱阻RθJA取決于管子的封裝及散熱的方式。 按照上述條件，設計中選取了N溝道MOSFET AOLL1242作為24V熱插拔電路外接MOSFET，其VDS=40V，ID=69A(VGS=10 V)，滿(mǎn)足設計要求的最大輸入電壓24 V和最大輸出電流1.5 A，并留有足夠的余量，防止瞬態(tài)過(guò)沖。 3)MOSFET的PLIM設定 MOSFET在熱插拔及輸出短路時(shí)會(huì )有極大的功率消耗，限制PLIM可以保護管子防止溫度過(guò)高損壞。通過(guò)對引腳PROG電壓的調節，來(lái)設定PLIM的大小，并且要滿(mǎn)足條件： 4)定時(shí)電容CT(圖3中C2)選型 選擇合適的電容，完成設定故障重啟間隔定時(shí)外，還必須滿(mǎn)足過(guò)載持續定時(shí)時(shí)間內外接MOSFET的功率耗散，不造成管子損壞，設計中選擇CT=0.1μF。 5)使能啟動(dòng)電壓設定 控制器使能啟動(dòng)電壓為1.35 V，關(guān)閉電壓為1.25 V。通過(guò)設定EN引腳輸入電壓，可以實(shí)現電源輸入欠壓保護。設計中選擇R1=200 kΩ，R2=13 kΩ，由公式 VIN(ON)=1.35/[R2/(R1+R2)]=22 V 可知，電源輸入電壓達到22 V時(shí)控制器使能啟動(dòng);由公式 VIN(OFF)=1.25/[R2/(R1+R2)]=20.5 V 可知，電源輸入電壓下降到20.5 V時(shí)控制器進(jìn)入欠壓保護。 6)其他選型 為了抑制高頻振蕩，GATE驅動(dòng)電阻R5取值10 Ω;為保證PG引腳吸收電流小于2 mA，上拉電阻R6取值100 kΩ;C1取值0.1μF，D1選擇齊納TVS管SA24AG;24 V電源輸入端串接IN5822肖特基二極管D2防止電源反接。 3 電路測試驗證 文章設計的正壓24 V熱插拔保護電路，通過(guò)在背板結構的數據采集卡上應用，進(jìn)行測試驗證，采集卡背板電源總線(xiàn)電壓為24 V。 測試方法：在采集卡插入背板時(shí)，通過(guò)示波器監測背板電源總線(xiàn)波形變化情況，以及定時(shí)電容CT正極波形變化情況。 測試結果：數據采集卡無(wú)熱插拔保護電路時(shí)，采集卡插入背板時(shí)，背板電源總線(xiàn)波形如圖4所示;數據采集卡有熱插拔保護電路時(shí)，采集卡插入背板時(shí)，背板電源總線(xiàn)波形如圖5所示，定時(shí)電容CT正極波形如圖6所示。 圖4 無(wú)熱插拔保護電路背板電源總線(xiàn)波形圖 圖5 有熱插拔保護電路背板電源總線(xiàn)波形圖 圖6 無(wú)熱插拔保護電路定時(shí)電容CT正極波形圖 結果分析：由圖4波形可以看出，當采集卡無(wú)熱插拔保護電路，插入帶電背板時(shí)，背板24 V電源總線(xiàn)電壓有一個(gè)6V左右的瞬時(shí)(約3 ms)跌落�？芍�，若負載電容更大，則背板電源總線(xiàn)電壓跌落將更大，跌落時(shí)間將更長(cháng)，在這樣的電壓跌落幅值及時(shí)間內，及有可能造成背板上其他正常工作采集卡復位，甚至由于瞬時(shí)較大的負載電容充電浪涌電流損壞接口電路。 由圖5波形可以看出，當采集卡有熱插拔保護電路，插入帶電背板時(shí)，背板24 V電源總線(xiàn)電壓幾乎無(wú)跌落。同時(shí)，對圖6分析可知，在采集卡熱插拔時(shí)出現了浪涌過(guò)流，定時(shí)電容CT開(kāi)始充電，在充電過(guò)程中MOSFET柵極驅動(dòng)電路維持電源輸出恒流，由于CT充電未達到4 V(約2 V)時(shí)采集卡負載電容已經(jīng)充電完成，熱插拔控制器即刻取消了限流保護，進(jìn)入了正常工作狀態(tài)，控制CT開(kāi)始放電，并且在圖6可以明顯看出，CT充電周期大大小于放電周期，也驗證了CT充電電流(25μA)和放電電流(2.5μA)的不同。 4 結論 隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)應用需求的不斷提高，對產(chǎn)品設計方式提出了更高的要求，背板結構具有其固有的靈活性和可擴展性，并且在系統維持正常運轉的情況下，可進(jìn)行故障板卡更換插拔，非常適合工業(yè)現場(chǎng)實(shí)際應用。在熱插拔過(guò)程中產(chǎn)生的浪涌電流，除了會(huì )造成系統其他正常運行板卡的意外復位外，甚至可能會(huì )損壞相關(guān)接口電路。 文章詳細介紹了基于TPS2491進(jìn)行熱插拔保護電路設計的過(guò)程，并通過(guò)24 V電源背板總線(xiàn)數據采集卡設計進(jìn)行實(shí)際驗證，從驗證結果可以看出文中設計的熱插拔保護電路有效抑制了熱插拔過(guò)程中的浪涌電流，熱插拔電路工作正常，符合設計要求。因此，文中介紹的熱插拔保護電路及其設計方法，具有較高的參考價(jià)值和應用價(jià)值。 |
