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作者：Karl Audison Cabas，產(chǎn)品應用開(kāi)發(fā)工程師 Ralph Clarenz Matocinos，產(chǎn)品應用開(kāi)發(fā)助理工程師 Christian Cruz，產(chǎn)品應用高級工程師 ADI公司 摘要 本文探討了在系統級應用中實(shí)施熱插拔控制器的優(yōu)勢和好處。熱插拔控制器提供了一種先進(jìn)的解決方案，可無(wú)縫插入和拔出電子設備，確保持續運行、防止過(guò)流并進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。通過(guò)提供參考設計，用戶(hù)可以更好地了解關(guān)鍵功能，從而增強這些功能的相關(guān)性和重要性。本文重點(diǎn)介紹熱插拔控制器如何提高系統可靠性、最大限度地減少停機時(shí)間并保護敏感設備，最終優(yōu)化系統性能并降低維護成本。 簡(jiǎn)介 在電子產(chǎn)品中，在不中斷系統運行的情況下安全地插入和拔出電源模塊的能力至關(guān)重要。眾所周知，熱插拔1已成為從數據中心到電信系統等許多應用的基本功能。為了確保系統在這些操作期間的安全性和完整性，需要專(zhuān)門(mén)的控制器。ADI公司的LTC4287在這類(lèi)產(chǎn)品中具有明顯優(yōu)勢。本文深入探討了這款熱插拔控制器在系統級應用中的性能、特性、益處和優(yōu)勢。 LTC4287：強大的熱插拔控制器 LTC4287是一款多功能的高性能熱插拔控制器，專(zhuān)為在系統實(shí)時(shí)添加或更換期間保護系統和插入的組件而設計。憑借全面的功能和強大的性能，LTC4287成為了許多關(guān)鍵應用中的重要組成部分。 熱插拔要點(diǎn) 熱插拔涉及在系統運行時(shí)插入或拔出組件（例如卡、電源或驅動(dòng)器）的行為。這個(gè)過(guò)程充滿(mǎn)挑戰，因為需要處理供電軌并確保電壓水平保持在安全范圍內。熱插拔控制器通過(guò)提供以下主要功能，出色地解決了這些挑戰： 使用RC熱電路實(shí)現精確限流 熱插拔可提供精確限流，在熱插拔應用中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。此功能可確保插入的組件所消耗的電流保持在安全范圍內。一旦突發(fā)大沖擊電流或故障情況，控制器會(huì )迅速做出反應，保護系統免受過(guò)流事件的影響。用戶(hù)可以選擇使用RC熱電路，該電路模擬MOSFET從節到印刷電路板(PCB)的熱傳導，從而進(jìn)一步提高限流的準確性。 故障檢測與保護 在熱插拔場(chǎng)景中，可能由于未對準、組件損壞或其他因素而出現故障。熱插拔控制器配備全面的故障檢測機制，包括欠壓和過(guò)壓保護。它會(huì )持續監測輸入側和輸出側的電壓水平，立即采取行動(dòng)隔離故障并保護系統。 沖擊電流控制 在插入電源裝置(PSU)期間，由于電容負載，可能會(huì )產(chǎn)生高沖擊電流，這可能會(huì )導致電壓下降并影響系統穩定性。熱插拔控制器集成了沖擊電流控制功能，可在插入過(guò)程中平穩增加電流，以減輕電壓波動(dòng)。這種平穩的啟動(dòng)過(guò)程可確保系統中的其他組件保持運行而不中斷。 
圖1.54 V至12 V系統應用的示意圖。 輸出電壓和電流監測 為了確保插入的PSU正常運行，熱插拔控制器通過(guò)集成的PMBus®對輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。監測數據可傳輸至LTpowerPlay®進(jìn)行分析和評估。此監測功能可以快速識別PSU行為中的任何異常，從而有助于快速響應潛在問(wèn)題。 綜合控制 這款熱插拔控制器提供了良好的靈活性和可配置性。設計人員可對設置進(jìn)行自定義，以滿(mǎn)足其熱插拔系統的特定要求。這種適應性在具有不同PSU需求的應用中尤其寶貴。 系統級性能優(yōu)勢 現在，我們來(lái)看一下在系統級應用（特別是54 V至12 V系統應用）中加入熱插拔控制器的優(yōu)勢和益處。參考圖1。 系統參考設計專(zhuān)門(mén)針對并行模式功能進(jìn)行了設計和優(yōu)化，從而能夠通過(guò)熱插拔控制器從帶電背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模塊。在正常運行期間，電荷泵和柵極驅動(dòng)器激活M1和M2 MOSFET，促進(jìn)電力向負載傳輸。這些柵極驅動(dòng)器由熱插拔控制器電源(VDD)引腳供電，并包括內置14 V柵極-源極鉗位，用于外部MOSFET保護。在熱插拔控制器中，通過(guò)一組比較器（包括欠壓(UV)、過(guò)壓(OV)和啟用(EN)比較器）在啟用柵極之前驗證外部條件。三個(gè)欠壓保護電路（UVLO1、UVLO2和UVLO3）會(huì )驗證輸入電源并在內部生成5 V電源（INTVCC和DVCC）。當DVCC超過(guò)閾值時(shí)，UVLO3還會(huì )觸發(fā)邏輯電路的上電初始化，并將EEPROM內容讀取到操作存儲器中。在正常運行期間，熱插拔控制器會(huì )在啟動(dòng)去抖延遲后激活外部N溝道MOSFET。 LTC4287提供雙級電流保護，利用開(kāi)爾文電流輸入（SENSE+和SENSE-）引腳來(lái)監測檢測電阻上的負載電流。它具有主動(dòng)限流和快速限流比較器閾值�？焖傧蘖鏖撝凳冀K設置為標稱(chēng)限流的三倍。當檢測電壓達到限流閾值時(shí)，相關(guān)柵極被拉低以接合主動(dòng)限流環(huán)路。如果發(fā)生突然短路或輸入尖峰達到快速限流比較器閾值，則相應的柵極立即被拉至源極，從而限制峰值電流。一旦檢測電壓恢復到限流閾值，主動(dòng)限流環(huán)路就會(huì )接管電流控制。
圖2.BR-080064，適用于54 V至12 V系統應用的ADI參考設計硬件。
圖3.適用于連接到LTpowerPlay的54 V至12 V系統應用的ADI參考設計。 增強系統可靠性 在系統應用中，可靠性至關(guān)重要。54 V至12 V PSU模塊的熱插拔是一個(gè)非常精細的操作過(guò)程，任何錯誤或故障都可能導致系統停機或組件損壞。熱插拔控制器的精確限流和故障檢測機制確保熱插拔操作安全進(jìn)行，從而降低系統中斷和組件故障的風(fēng)險。 圖2所示的系統應用參考設計重點(diǎn)展示了LTC4287以及兩個(gè)能夠處理高達4 kW功率的54 V至12 V PSU模塊。其中還包含可通過(guò)LTpowerPlay®（使用DC1613）訪(fǎng)問(wèn)的PMBus通信功能，以增強控制和監測功能。 無(wú)縫維護 在必須保障連續運行的應用中，通常需要定期維護或更換組件。這款熱插拔控制器的沖擊電流控制和實(shí)時(shí)監測功能使PSU能夠順利插入和拔出。這意味著(zhù)無(wú)需關(guān)閉整個(gè)系統即可執行維護操作，從而最大限度地減少停機時(shí)間并最大限度地提高系統可用性。 降低擁有成本 無(wú)需中斷系統運行即可進(jìn)行組件熱插拔，從而可以顯著(zhù)節省成本，可能降低30%至50%。關(guān)鍵應用的停機可能會(huì )導致收入或生產(chǎn)力的損失。通過(guò)部署熱插拔控制器，系統可以設計為最大限度地減少或消除此類(lèi)中斷，從而降低長(cháng)期總體擁有成本。 廣泛適用于多種應用 熱插拔控制器并不局限于特定的行業(yè)或應用。它可以集成到各種系統中，包括數據中心、電信設備、工業(yè)自動(dòng)化等。它具有良好的適應性，能夠在不同場(chǎng)景中提供保護和控制，因而成為系統級應用的多功能解決方案。 實(shí)時(shí)監測和數據收集 除了保護功能外，熱插拔控制器還提供實(shí)時(shí)監測功能，可提供豐富的信息。這些監測數據對于系統診斷、性能優(yōu)化和預測性維護非常有價(jià)值。通過(guò)分析這些數據，系統操作員可以做出明智的決策，并在潛在問(wèn)題惡化之前主動(dòng)加以解決。 系統應用示例中包含一個(gè)熱插拔控制器和PMBus協(xié)議通信（參見(jiàn)圖3），提供了用戶(hù)友好的可訪(fǎng)問(wèn)性。當配置了GPIO引腳時(shí)，可以實(shí)現讀取A/D寄存器、故障檢測和通過(guò)ALERT#中斷進(jìn)行實(shí)時(shí)響應等任務(wù)。PMBus設備的輔助地址由ADR0和ADR1引腳決定，每個(gè)引腳提供三種狀態(tài)（接地、INTVCC或保持開(kāi)路），總共提供9個(gè)設備地址。 簡(jiǎn)化系統設計 這款熱插拔控制器功能全面，使系統設計得以簡(jiǎn)化。設計人員可以依靠這款控制器來(lái)管理熱插拔操作，從而降低系統其余部分的復雜性。這種簡(jiǎn)化可以縮短開(kāi)發(fā)周期并減少設計工作量。 54 V至12 V系統解決方案的電氣性能和結果 在系統參考設計中，對這款熱插拔控制器在多種測試條件下的性能進(jìn)行了評估： 參數：系統應用的電氣指標 輸入電壓范圍：40 V至60 V 負載電流：0 A至130 A 工作溫度：0°C至60°C 在評估熱插拔控制器時(shí)，根據特定應用的要求，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數和指標。以下是一些需要評估的重要參數： 過(guò)流保護 熱插拔控制器采用多級方法來(lái)提供強大的過(guò)流保護。首先，它采用具有預設閾值的主動(dòng)限流(ACL)。
圖4.限流保護，輸入電壓40V，負載電流0A至130A。
圖5.短路保護。輸入電壓為40V，負載電流為100A至130A。 當負載電流超過(guò)此限制時(shí)，控制器會(huì )主動(dòng)調節輸出電壓，抑制電流并防止問(wèn)題進(jìn)一步加重。其次，快速限流比較器作為主動(dòng)限制的補充，能夠立即對突發(fā)的高幅度過(guò)流（例如短路）做出反應。它會(huì )迅速拉低MOSFET柵極，限制峰值電流以保護電路免受損壞。此外，這款控制器支持故障報告和恢復。如果發(fā)生過(guò)流，它會(huì )通過(guò)指定的通用引腳(GPIO)報告故障，這些引腳可以與LED相連以指示故障。故障解決后，它就會(huì )促進(jìn)受控恢復，逐步恢復對負載的供電，以安全地恢復正常運行。圖4顯示了如何對參考設計進(jìn)行編程，以便在線(xiàn)路電流超過(guò)128 A時(shí)快速做出反應，同時(shí)鎖定輸出以防止發(fā)生潛在的危害。當達到限流時(shí)，熱插拔控制器的故障引腳會(huì )被激活。 短路保護 LTC4287配備多級短路保護系統，以確保短路事件期間PSU模塊的安全。首先，它能夠立即響應短路，具有快速限流比較器，可對突發(fā)的高幅度短路情況做出迅速反應，包括快速下拉MOSFET開(kāi)關(guān)柵極以限制峰值電流并保護電路。此外，還實(shí)施了主動(dòng)限流機制，為正常運行建立了預定義的限流閾值。如果短路電流超過(guò)該閾值，控制器將通過(guò)主動(dòng)調節輸出電壓進(jìn)行干預，以將電流降低至安全水平。 如圖5所示，如果在正常運行期間發(fā)生短路，這款熱插拔控制器會(huì )立即斷開(kāi)輸入與輸出，從而提供即時(shí)保護。然后，它會(huì )發(fā)送一個(gè)信號，表示已觸發(fā)故障，具體以故障信號和電源良好(PGOOD)信號表示。這確保了輸入線(xiàn)路之間能夠得到充分的隔離。這種綜合方法可保證系統在短路情況下的安全性和彈性。 沖擊電流控制 熱插拔控制器中集成了熱沖擊電流管理，以限制熱插拔FET上因上電期間電流浪涌而引起的熱相關(guān)故障，確保安全啟動(dòng)。它通過(guò)測量串聯(lián)電流檢測電阻兩端的電壓來(lái)檢測電流的上升情況。軟啟動(dòng)電路逐漸增加輸出電壓，最大限度地降低超出MOSFET安全工作區(SOA)的電壓上升速率和電流尖峰。當檢測到啟動(dòng)短路時(shí)，定時(shí)器(TMR)引腳中編程的SOA定時(shí)器輸出會(huì )逐漸增加到大于2.56 V的TMR閾值。熱插拔控制器會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)線(xiàn)路而不激活保護MOSFET，如圖6所示。這樣就保證了系統的安全運行。這些關(guān)鍵元件可實(shí)現平穩有序的上電過(guò)程，提高系統可靠性和使用壽命，同時(shí)減少電壓尖峰和浪涌。
圖6.40 V輸入電壓時(shí)的啟動(dòng)短路保護。
圖7.33 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)欠壓保護(UVP)。
圖8.64 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)過(guò)壓保護(OVP)。
圖9.輸入電壓為40 V和60 V時(shí)，2 kW負載下的負載瞬態(tài)響應。 總之，這款熱插拔控制器通過(guò)管理熱沖擊電流和限制浪涌來(lái)確保安全啟動(dòng)。它使用電流檢測電阻來(lái)檢測增加量，采用軟啟動(dòng)電路來(lái)最大限度地減少尖峰，并在發(fā)生啟動(dòng)短路時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)線(xiàn)路，從而增強系統安全性。這些元件可保證平穩上電，提高系統可靠性和使用壽命，同時(shí)降低電壓尖峰。 電壓監測 熱插拔控制器具有內置電壓監測功能，可確保54 V輸入到12 V系統應用的安全穩定。它會(huì )持續跟蹤電壓水平以進(jìn)行欠壓和過(guò)壓檢測，提供關(guān)鍵保護。它會(huì )評估熱插拔MOSFET后的輸入和輸出電壓，并在電壓低于欠壓閾值時(shí)做出響應，從而防止出現操作問(wèn)題。同樣，如果它感應到電壓超過(guò)了過(guò)壓限制，就會(huì )啟動(dòng)保護措施來(lái)保護組件免受潛在損壞。這種主動(dòng)響應可防止因電壓波動(dòng)而導致的性能問(wèn)題，從而確保系統的可靠性和耐用性。電壓監測數據存儲在控制器內置的EEPROM中。 圖7說(shuō)明了熱插拔控制器的欠壓保護機制，當UV引腳的電壓低于閾值（測量值為2.14 V，相當于PVIN電壓33 V）時(shí)，會(huì )使設備停止運行。圖8則顯示了過(guò)壓保護機制，當OV引腳的電壓超過(guò)閾值（測量值為2.47 V，對應PVIN電壓為64 V）時(shí)，會(huì )關(guān)閉設備。當輸入電壓恢復正常時(shí)，控制器會(huì )自動(dòng)重試并恢復�？梢酝ㄟ^(guò)修改UV和OV引腳上的電阻分壓器值來(lái)調整閾值。 溫度監測 LTC4287利用遠程晶體管作為傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監測溫度。這樣便可以收集溫度數據以進(jìn)行系統健康評估和保護。 故障報告和指示 借助LTpowerPlay，這款熱插拔控制器可以有效地監測和解決系統中的任何故障和異常，確保有效的管理和維護。 負載瞬態(tài)響應 這款熱插拔控制器具有出色的瞬態(tài)響應，可確保動(dòng)態(tài)負載變化時(shí)系統的穩定性。它會(huì )持續監測輸出電壓，防止電壓波動(dòng)并保護系統中的敏感元件，如圖9所示。 準確性和精確度 這款熱插拔控制器結合了高質(zhì)量組件、校準、溫度補償、降噪、反饋回路和數字通信功能，實(shí)現了出色的準確性和精確度。這些特性共同確保了測量的可靠和一致，有助于提高系統應用的整體準確性和精確度。圖10顯示了LTC4287輸出功率讀數與測試設備測得的數據的比較。
圖10.2 kW和4 kW功率負載之間的百分比誤差精度。 校準過(guò)程對于確保熱插拔控制器測量的準確性和精確度至關(guān)重要，這對于重視數據可靠性和一致性的系統應用尤為重要。通過(guò)在制造過(guò)程中校準控制器并提供用戶(hù)校準選項，LTC4287提供非常準確和精確的電壓和電流測量，有助于提高系統應用和PSU模塊的整體性能和可靠性。 通過(guò)仔細評估可用參數和測試條件，這款熱插拔控制器可滿(mǎn)足系統應用和其他大電流應用的要求。 此外，還應考慮加入一個(gè)強大的輔助電路，以便有效地為系統內的各種內部外設供電。在系統應用中，參考設計已經(jīng)利用LT8631來(lái)提供穩定的5 V電壓，利用LT3009確�？煽康�3.3 V供電。 結論 ADI的LTC4287熱插拔控制器是一款強大的電源管理產(chǎn)品，可提高系統可靠性、減少停機時(shí)間并在系統級提供眾多優(yōu)勢。它具有故障保護、控制沖擊電流和提供實(shí)時(shí)監測的能力，是各個(gè)行業(yè)關(guān)鍵應用中不可或缺的組件。通過(guò)引入這款熱插拔控制器，系統設計人員可以確保順暢、高效的熱插拔操作，從而提高系統可用性并降低總體擁有成本。 此外，本文還初步介紹了54 V至12 V PSU模塊的參考設計；相關(guān)團隊正致力于撰寫(xiě)一篇詳盡的文章來(lái)闡述優(yōu)勢和益處。 參考文獻 1“了解、使用和選擇熱插拔控制器”。ADI公司，2003年12月。 作者簡(jiǎn)介 Christian Cruz是ADI（菲律賓）公司的產(chǎn)品應用高級工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子和電源控制固件設計領(lǐng)域擁有14年的工程經(jīng)驗，包括電源管理解決方案開(kāi)發(fā)及AC-DC和DC-DC電源轉換。他于2020年加入ADI公司，目前專(zhuān)注于研發(fā)消費和云端基礎設施事業(yè)部及系統通信應用所需的電源管理解決方案。 Karl Audison Cabas自2020年9月起擔任ADI公司的應用工程師，專(zhuān)注于電源應用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和瑪布亞大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。他在DC-DC電源轉換器方面擁有4年多的經(jīng)驗。他之前的職責是處理客戶(hù)問(wèn)詢(xún)以及與DC-DC轉換器相關(guān)的設計問(wèn)題。他目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。 Ralph Clarenz Matociños畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila(PLM)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有一年多的工程經(jīng)驗，包括電池管理系統開(kāi)發(fā)和DC-DC電源轉換。他于2022年加入ADI，目前擔任云和數據中心應用的電源系統應用工程師。 |
