摘要

    本文詳細(xì)介紹了熱插拔電路基礎(chǔ),，以及要求使用系統(tǒng)保護(hù)與管理(SPM) 和印刷電路板(PCB) 基板面極其珍貴的情況下系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的諸多挑戰(zhàn)。以模塊化實(shí)現(xiàn)利用集成數(shù)字熱插拔控制器時(shí),，我們?yōu)槟榻B了一種框架,，用于檢查設(shè)計(jì)的各項(xiàng)重要參數(shù)和熱插拔系統(tǒng)保護(hù)電路的PCB 布局。另外,，文章還列出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告,。

高密度系統(tǒng)的熱插拔電路保護(hù)

    許多分布式電源系統(tǒng)（如圖1 所示）都集成了總線轉(zhuǎn)換器、負(fù)載點(diǎn)(POL) 與線性穩(wěn)壓器,，專用于高性能刀片式服務(wù)器、ATCA 解決方案和通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)^[1],。這些系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于一些日益小型化的實(shí)現(xiàn)中,，旨在降低成本。為了保證這些系統(tǒng)擁有最大的可靠性和最長(zhǎng)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間,，熱插拔控制器^[2]是首選方法,，因?yàn)樗梢蕴峁┳罾硐氲南到y(tǒng)保護(hù)和電管理，特別是能夠達(dá)到服務(wù)器市場(chǎng)的嚴(yán)格要求,。系統(tǒng)保護(hù)與管理(SPM) 功能專用卡邊緣的可用PCB 基板面已變得相當(dāng)狹小,，這并不讓人感到意外。這種情況帶來的結(jié)果是,，設(shè)計(jì)工作主要集中在了高功率密度,、低成本熱插拔電路實(shí)現(xiàn)上面。

圖1電信系統(tǒng)分布式電源架構(gòu)例子

     在這類應(yīng)用中,，熱插拔控制器的特點(diǎn)是通常包括帶電電路板插入（浪涌電流控制）和拔取安全控制,、故障監(jiān)控診斷與保護(hù)以及高精確度電氣（電壓、電流,、功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)測(cè)量,，目的是提供實(shí)時(shí)的系統(tǒng)模擬或數(shù)字域遙測(cè)。特別是,，如果服務(wù)器機(jī)架一個(gè)線卡出現(xiàn)故障,，該故障應(yīng)隔離在該特定線卡，不會(huì)影響系統(tǒng)底板或者其他通過帶電底板供電的線卡,。熱插拔控制器正常情況下會(huì)通過接口連接至某個(gè)通過MOSFET,，其同電源通路串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)“開/關(guān)”功能和電流檢測(cè)低電阻分流器,。

    圖2 顯示了典型服務(wù)器系統(tǒng)中為供電量身定做的線卡接口和熱插拔電路原理圖,，并為后續(xù)討論的模板。討論過程中，我們將不厭其煩地詳細(xì)描述熱插拔電路底板連接器邊緣插件板和下游組件,。

圖2典型的熱插拔電路布局

    一般而言,，在一些+12V和+48V系統(tǒng)中，熱插拔通過器件（圖2 中MOSFET Q₁）與高端連接配置,，并且其柵極連接至接地基準(zhǔn)控制器,。在–48V底板系統(tǒng)中，該控制器參考至48V電壓軌,，并且根據(jù)要求上下浮動(dòng),。在所有情況下，當(dāng)檢測(cè)到故障Q₁ 被熱插拔控制器迅速關(guān)閉時(shí),，必要時(shí)接地連接可不中斷,。

    熱插拔模塊提供一種方便的標(biāo)準(zhǔn)化方法，實(shí)現(xiàn)一站式熱插拔解決方案,。這種模塊是一種單獨(dú),、獨(dú)立的子配件，它們是一些結(jié)構(gòu)相同,、超緊湊,、獨(dú)立自主、經(jīng)過完全驗(yàn)證和測(cè)試的組件,，完全適合于高容量SMT 制造,。同樣，它可在多個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用之間靈活地部署使用,，從而極大地減輕了系統(tǒng)工程師的設(shè)計(jì)工作負(fù)擔(dān),。熱插拔模塊通常以一種中間夾層的方式平行堆疊在系統(tǒng)主板上，利用鍍過孔(PTH) 或者表面貼裝(SMT) 接頭與電源和信號(hào)連接形成母子配置結(jié)構(gòu),。另外,，需要注意的是，主板通過模塊的終端連接提供導(dǎo)電散熱,。然而,，使用雙面模塊板布局時(shí)，主要功耗組件通過MOSFET 和分流電阻器,，放置于模塊的頂部,，以有目的地利用應(yīng)用環(huán)境中的自然或者強(qiáng)制對(duì)流。

電路規(guī)范

表1列出了熱插拔電路模塊的相關(guān)規(guī)范,。

表1 熱插拔電路設(shè)計(jì)規(guī)范

在這種高功率密度熱插拔電路設(shè)計(jì)中,，下列局限性尤為明顯：

·        成本：電氣（MOSFET、控制器,、分流電阻器）和機(jī)械（連接器,、PCB）組件

·        PCB 面積：嚴(yán)重受限

·        組件規(guī)范：體積受限（尺寸和外形）

·        熱規(guī)范和散熱屬性：基本散熱

電路原理圖和組件選擇

     圖2 描述了建議熱插拔電路的原理圖。可以方便地將任何負(fù)載相關(guān)大容量存儲(chǔ)電容器,，靠近負(fù)載放置于主板上,，無需放置在熱插拔模塊上。

圖3數(shù)字熱插拔電路原理圖

表2 詳細(xì)列出了最基本的電路組件的封裝尺寸和廠商建議焊墊幾何尺寸,。

表2 熱插拔電路組件封裝尺寸和建議焊墊幾何尺寸

MOSFET, Q₁

    在我們的例子中,，我們使用了TI NexFET™ CSD17309Q3 ^[3]，它是一種25°C下4.9 mW開態(tài)電阻的30V 60A SON器件,。如果圖4a的開態(tài)電阻溫度系數(shù)約為0.3%/°C,，則55°C工作結(jié)溫下滿負(fù)載傳導(dǎo)損耗為0.6W。柵極到源極齊納二極管將MOSFET V_GS維持在額定電平（正負(fù)極）,。2°C/W的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻抗R_thJ-C表明,，殼結(jié)溫升約為1.2°C。最大額定MOSFET 結(jié)溫為150°C,。故障狀態(tài)期間1 ms一次性脈沖時(shí)長(zhǎng)條件下,，圖4b 和4c的曲線圖分別表示50A、12V時(shí)的安全工作區(qū)(SOA) 大小,，以及0.001的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)到環(huán)境瞬態(tài)熱阻抗Z_thJ-A。

圖4CSD17309Q3^[3] MOSFET: a) Rdson隨溫度變化情況,；b) SOA; c)瞬態(tài)熱阻抗

分流電阻器R_S

    使用一個(gè)2 mΩ分流電阻器以后,，LM25066可提供12.5A的主動(dòng)電流限制（25 mV典型電流限制閾值電壓），并且精確度為±8%,。因此,，電流限制設(shè)置為額定滿負(fù)載電流的125%?？焖僮饔脭嗦菲鞴δ茉O(shè)置為22.5A（45 Mv典型斷路閾值電壓）,。

    Vishay WSL1206-18系列分流電阻器擁有1% 容限和275 ppm電阻溫度系數(shù)。全部0.5W額定功率可用于70°C額定溫度,，但后續(xù)線性降低至170°C,。10A時(shí)的分流器功耗為0.2W。

熱插拔控制器U₁

    LM25066有一個(gè)I²C/SMBus接口（使用SCL,、SDA/SMBA和地址引腳連接）和一個(gè)PMBus兼容型指令結(jié)構(gòu),，以幫助執(zhí)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置和遙測(cè)。利用三個(gè)地址引腳,，設(shè)置PMBus地址,。分別使用1% 和2% 精確度測(cè)量電壓、電流和功率遙測(cè),。一個(gè)二極管連接的晶體管溫度傳感器,，幫助輕松、精確地進(jìn)行MOSFET 溫度測(cè)量。

TVS, Z₁

     電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)到100A/µs甚至更大,，因此輸入功率通路中的電源軌總線結(jié)構(gòu)不可避免地存在寄生電感,。存儲(chǔ)于該電感中的能量傳輸至電路中其他組件，以產(chǎn)生過電壓動(dòng)態(tài)行為,。這種電感式電壓過沖,，會(huì)損害熱插拔MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性,，除非對(duì)其進(jìn)行正確的控制,。按照?qǐng)D3 所示，使用一個(gè)快速響應(yīng)的單向TVS 二極管,，連接V_IN 和GND,。它主要充當(dāng)需要中斷的差模電流的分流通路。

    制約TVS^[4]的一些因素包括電氣性能,、組件體積和成本,。一般而言，TVS 平衡電壓V_R 等于或者大于DC 或者連續(xù)峰值工作電壓電平,。斷路事件期間承受峰值脈沖電流的TVS 鉗位電壓V_C(MAX),，應(yīng)低于MOSFET 和控制器的絕對(duì)最大額定電壓。另外,，更高額定功率的TVS 擁有更大的電壓開銷,，因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)阻抗更低。因此,，如果要求有更尖利的曲線圖拐點(diǎn),，則相比只根據(jù)峰值功率規(guī)范選擇的一般強(qiáng)制規(guī)定，選擇更大的TVS 要更加有利一些,。

    輸入電壓范圍為12V±10%時(shí),，選擇15V Vishay Esmp系列TVS。該器件有一個(gè)陽極和兩個(gè)陰極連接,。1.1 mm的小體積,，讓它能夠安裝在PCB 的底部。

輸入電容器C_IN

    因其可以降低輸入阻抗并提供去耦功能,，本地輸入旁路電容有一定的作用,，但在熱插拔期間插入插件卡時(shí)對(duì)C_IN充電的脈沖電流一般會(huì)損害電容器的可靠性，因此這種電容并不怎么實(shí)用,。當(dāng)電容器位于熱插拔電路前面時(shí),，許多OEM 廠商將其看作為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)可靠性問題，因此一般不會(huì)安裝這種電容器,。

PCB 布局

    圖5 顯示了一種緊湊,、高密度的電路PCB 布局,。圖6 顯示了該模塊的照片。熱插拔解決方案共占用300 mm²的PCB 面積,。TVS 和可選無源組件均位于PCB 的底部,。柵極線路和分流檢測(cè)線路均短路，并且未使用輸入去耦電容器,。使用表面貼裝端接,，將電源和信號(hào)連接至主板。

圖5熱插拔電路PCB 布局

    基本組件位于頂部,，內(nèi)部各層主要構(gòu)成并行接地層,，用于散熱和降低傳導(dǎo)損耗。TVS 和各種可選組件位于底部,。散熱過孔位于MOSFET 漏極板和TVS 陰極上,，連接至內(nèi)部各層。請(qǐng)記住,，表面貼裝組件焊接的PCB 作為散熱的主要方法,。同樣，產(chǎn)生熱的一些組件,，可以利用 PC B層內(nèi)已經(jīng)有的一些銅質(zhì)多邊形材料,、層和熱過孔來提高其熱特性。使用邊緣端接將模塊化電路板連接至主板,，還可以幫助散熱,。如果重復(fù)脈沖鉗制期間出現(xiàn)通過MOSFET穩(wěn)態(tài)功耗和/或TVS 功耗，則板級(jí)散熱設(shè)計(jì)變得尤為重要,。這種熱插拔控制器設(shè)計(jì)，通過在出現(xiàn)故障時(shí)鎖住電路或者在檢測(cè)到故障以后后續(xù)“重試”開始時(shí)提供足夠長(zhǎng)的暫停時(shí)間,，使這一問題得到緩解,。

圖6熱插拔模塊照片

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)這種熱插拔控制器^[2]實(shí)用實(shí)現(xiàn)，人們想出了各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法,，以對(duì)電路性能進(jìn)行評(píng)估：熱插拔帶電插入,、電流限制和短路保護(hù)。圖7a,、7b 和7c 分別描述了相關(guān)電路波形,。

    就這方面來說，它允許在檢測(cè)到故障以前形成最高可能電流,，在圖2 所示電路輸出直接聲明的低阻抗短路特別令人討厭,。根據(jù)之前的一些考慮，同輸入通路串聯(lián)的寄生電感耦合高電流轉(zhuǎn)換速率,，可能會(huì)在向通過MOSFET 發(fā)送一條關(guān)閉指令以后在熱插拔控制器V_IN 和SENSE 引腳上引起破壞性瞬態(tài)出現(xiàn),。圖7c突出顯示部分,，使用這種模塊時(shí)斷路事件期間的電流與電壓波形，被看作是良性的,。

圖7 熱插拔電路振蕩波形：a)啟動(dòng)前插入延遲熱插拔帶電插入,；b）鎖閉電流限制響應(yīng)；c）輸出短路引起的熱插拔斷路事件

    輸入電流達(dá)到23A（46mV分流電壓）時(shí),，如圖7c所示,，通過MOSFET 關(guān)閉（見綠色輸入電流線）。這時(shí)的輸入電壓有一個(gè)初始尖峰（原因是存在一些未鉗制寄生線路電感）,，但在約18V 時(shí)迅速被TVS 鉗位,。

參考文獻(xiàn)

 [1]服務(wù)器、基站,、ATCA 解決方案原理圖與設(shè)計(jì)考慮因互

 [2]PMBus的LM25066系統(tǒng)電源管理與保護(hù)IC

 [3] NexFET功率MOSFET技術(shù)

 [4]《熱插拔電路的TVS鉗制》,，作者：Hagerty, Timothy，TI,，刊發(fā)于2011 年10月《電源電子技術(shù)》

作者簡(jiǎn)介

Timothy Hegarty現(xiàn)任TI 電源產(chǎn)品部首席應(yīng)用工程師,。Tim畢業(yè)于愛爾蘭考克大學(xué)(University College Cork, Ireland) 電子工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。在加盟TI以前,，他曾效力于國家半導(dǎo)體和Artesyn Technologies,。他的研究領(lǐng)域?yàn)榧蒔WM 開關(guān)式穩(wěn)壓器與控制器、LDO,、基準(zhǔn),、熱插拔控制器、可再生能源系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)模擬,。他是IEEE 會(huì)員,。