隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，一般都會(huì)要求在整個(gè)使用周期內(nèi)具有接近零的停機(jī)率,，因此，在更換和維護(hù)故障電路時(shí),，通常都希望在不影響系統(tǒng)工作的情況下帶電插拔操作,。當(dāng)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往往會(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就可能會(huì)燒毀連接器和電路元件,，或者暫時(shí)將整個(gè)工作電壓拉低而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟。

所謂熱插拔(Hot Swap),，就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)或不切斷電源的情況下取出和更換損壞的部件,，從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、增強(qiáng)擴(kuò)展性和靈活性,。熱插拔過(guò)程一般可分為三個(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(tǒng)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(tǒng)相連的軟件層的連接,。

本文所討論的熱插拔主要是利用TPS2301芯片來(lái)針對(duì)硬件的熱插拔控制,，即在帶電狀態(tài)下可以安全地插拔電路板。

1 TPS2301簡(jiǎn)介

TPS2301是TI公司生產(chǎn)的一款使用外部N-通道MOSFET作為電源控制主開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行快速熱插拔的雙通道器件,。該器件中的INl通道允許的輸入電壓為3～13 V,；IN2通道允許的輸入電壓為3～5．5 V。TPS2301芯片同時(shí)具有過(guò)流保護(hù),、浪涌電流限制,、電源輸出狀態(tài)指示等功能，另外該芯片還具有5μA維持電流,、20管腳TSSOP封裝,、-40～85℃工作溫度范圍、以及具有靜電保護(hù)等特點(diǎn),。

2 系統(tǒng)電路

本文所介紹的熱插拔控制電路系統(tǒng)框圖如圖1所示,。由圖1可見(jiàn),，本系統(tǒng)主要包括三個(gè)主要器件，即用作電源控制主開(kāi)關(guān)的N通道MOSFET,、測(cè)量電流的檢測(cè)電阻以及熱插拔控制器,。


3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本設(shè)計(jì)使用TPS2301的INl通道來(lái)進(jìn)行分析。假定設(shè)計(jì)的輸入電壓為12 V,，后端負(fù)載功率為100 W,。下面介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3．1 正常電壓輸出門(mén)限設(shè)置

正常輸出電壓門(mén)限可由VSENSEl管腳來(lái)控制,，而VSENSEl管腳電壓則由跨接在輸出V01與GND間的電阻R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}分壓獲得,。

將該電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓(1．225 V±2％)進(jìn)行比較，可確定實(shí)際輸出電壓是否在輸出允許范圍之內(nèi),。例如輸出電壓為12 V,，允許調(diào)整范圍為±l0％，那么,，輸出電壓的最低要求為10．8V,，因此,，可以此計(jì)算出反饋電阻R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}的取值要求,。

在選擇R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}阻值時(shí)，應(yīng)盡可能選擇阻值比較大的電阻(10 kΩ以上),，這樣能有效減少不必要的電源損耗,。當(dāng)V₀₁小于V_{01_min}時(shí)，PWRGDl的輸出將置低,，直到V₀₁輸出正常,。

3．2 感應(yīng)電阻R_SENSE與過(guò)流限制電阻R_ISET1的選擇

檢測(cè)電阻R_SENSE的取值應(yīng)根據(jù)后端負(fù)載的最大工作電流來(lái)選取。假定過(guò)流電流I_LMT1=11A,，那么,，在選擇檢測(cè)電阻時(shí)，就必須選擇允許通過(guò)電流范圍大于11A的檢測(cè)電阻,，并確保檢測(cè)電阻上的自身功耗不超過(guò)其額定功率,。本設(shè)計(jì)選擇的檢測(cè)電阻的內(nèi)阻為0．003Ω，自身允許功耗為l W,。表1提供了部分檢測(cè)電阻的規(guī)格和指標(biāo),。



選定檢測(cè)電阻后，即可根據(jù)以下公式來(lái)確定過(guò)流限制電阻R_ISET1的大小,。

3．3 MOSFET的選擇

選擇合適的MOSFET的第一步是選定VDS和ID標(biāo)準(zhǔn),。對(duì)于12 V系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，VDS應(yīng)為30 V或40V,，這樣可以處理可能損壞MOSFET的瞬變,。MOSFET的ID應(yīng)遠(yuǎn)大于所需的最大值,，圖2所示是MOSFET的SOA圖。事實(shí)上,，在大電流應(yīng)用中,，最重要的指標(biāo)之一是MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DSON。較小的R_DSON能確保MOSFET在正常工作時(shí)具有較小的功耗,，并在滿負(fù)載條件下產(chǎn)生最少的熱量,。



為防止MOSFET過(guò)熱，應(yīng)考慮MOSFET在直流負(fù)載條件下的功耗,。隨著MOSFET溫度的升高,，通常額定功率將會(huì)減小或降額，此外,，在高溫下工作時(shí),，MOSFET的使用壽命也會(huì)縮短。

本設(shè)計(jì)選擇的MOSFET型號(hào)為IRLR3103,，其中V_DSS為30 V,；R_DS(ON)為0．019 Ω；I_D為46 A,。這樣,，根據(jù)后端負(fù)載最大電流為11A就可以計(jì)算出MOSFET上所損耗的功率：

P_MOSFET=I_LMT1²R_DS(ON)=11×11×0.019=2.3W

查詢TRLR3103數(shù)據(jù)手冊(cè)可得出R_THIJ=50℃／W，由于MOSFET需要消耗約2．3W的功率,，因此,，最壞條件下，其溫度可能上升到高于室溫的115℃,。降低這個(gè)數(shù)值的一種方法是并聯(lián)使用兩個(gè)或更多的MOSFET,，這樣能有效降低RDS(0N)，從而降低MOSFET的功耗,。使用兩個(gè)MOSFET時(shí),，  假設(shè)電流在器件間均勻匹配(允許一定的容差)，那么,，每個(gè)MOSFET的溫度升高最大值為29℃,。

假設(shè)室溫T_A為25℃，再加上這個(gè)溫度上升值,，那么每個(gè)MOSFET的最大溫度為54℃,。

為了保證MOSFET在最壞條件下能安全工作，設(shè)計(jì)時(shí)還必須進(jìn)行一定的降額設(shè)計(jì),。圖2中的MOSFET的SOA圖是在室溫25℃時(shí)的結(jié)果,，而系統(tǒng)的實(shí)際工作溫度肯定不會(huì)一直維持在25℃。假設(shè)系統(tǒng)工作的最高環(huán)境溫度為50℃，那么,，就必須重新測(cè)試出50℃情況下的SOA曲線,。

首先，計(jì)算25℃下的功耗：



其中,，RTHJC可從MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中查詢到,。

現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度50℃下的功耗進(jìn)行同樣的計(jì)算：



這樣，MOSFET的降額系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算：



為了反映調(diào)節(jié)過(guò)的額定功率,，需要把表示施加最大功率的時(shí)間值隨著現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,，一般都會(huì)要求在整個(gè)使用周期內(nèi)具有接近零的停機(jī)率，因此,，在更換和維護(hù)故障電路時(shí),，通常都希望在不影響系統(tǒng)工作的情況下帶電插拔操作。當(dāng)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往往會(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就可能會(huì)燒毀連接器和電路元件，或者暫時(shí)將整個(gè)工作電壓拉低而導(dǎo)致系統(tǒng)重啟,。

所謂熱插拔(Hot Swap),，就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)或不切斷電源的情況下取出和更換損壞的部件，從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力,、增強(qiáng)擴(kuò)展性和靈活性,。熱插拔過(guò)程一般可分為三個(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(tǒng)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(tǒng)相連的軟件層的連接。

本文所討論的熱插拔主要是利用TPS2301芯片來(lái)針對(duì)硬件的熱插拔控制,，即在帶電狀態(tài)下可以安全地插拔電路板,。

1 TPS2301簡(jiǎn)介

TPS2301是TI公司生產(chǎn)的一款使用外部N-通道MOSFET作為電源控制主開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行快速熱插拔的雙通道器件。該器件中的INl通道允許的輸入電壓為3～13 V,；IN2通道允許的輸入電壓為3～5．5 V,。TPS2301芯片同時(shí)具有過(guò)流保護(hù)、浪涌電流限制,、電源輸出狀態(tài)指示等功能,，另外該芯片還具有5μA維持電流、20管腳TSSOP封裝,、-40～85℃工作溫度范圍,、以及具有靜電保護(hù)等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)電路

本文所介紹的熱插拔控制電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn),，本系統(tǒng)主要包括三個(gè)主要器件,，即用作電源控制主開(kāi)關(guān)的N通道MOSFET、測(cè)量電流的檢測(cè)電阻以及熱插拔控制器,。


3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本設(shè)計(jì)使用TPS2301的INl通道來(lái)進(jìn)行分析,。假定設(shè)計(jì)的輸入電壓為12 V，后端負(fù)載功率為100 W,。下面介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn),。

3．1 正常電壓輸出門(mén)限設(shè)置

正常輸出電壓門(mén)限可由VSENSEl管腳來(lái)控制，而VSENSEl管腳電壓則由跨接在輸出V01與GND間的電阻R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}分壓獲得,。

將該電壓與芯片內(nèi)部的參考電壓(1．225 V±2％)進(jìn)行比較,，可確定實(shí)際輸出電壓是否在輸出允許范圍之內(nèi)。例如輸出電壓為12 V,，允許調(diào)整范圍為±l0％,，那么，輸出電壓的最低要求為10．8V,，因此,，可以此計(jì)算出反饋電阻R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}的取值要求。

在選擇R_{VSENSE1_TOP}和R_{VSENSE1_BOTTOM}阻值時(shí),，應(yīng)盡可能選擇阻值比較大的電阻(10 kΩ以上),，這樣能有效減少不必要的電源損耗。當(dāng)V₀₁小于V_{01_min}時(shí),，PWRGDl的輸出將置低,，直到V₀₁輸出正常。

3．2 感應(yīng)電阻R_SENSE與過(guò)流限制電阻R_ISET1的選擇

檢測(cè)電阻R_SENSE的取值應(yīng)根據(jù)后端負(fù)載的最大工作電流來(lái)選取,。假定過(guò)流電流I_LMT1=11A,，那么，在選擇檢測(cè)電阻時(shí),，就必須選擇允許通過(guò)電流范圍大于11A的檢測(cè)電阻,，并確保檢測(cè)電阻上的自身功耗不超過(guò)其額定功率。本設(shè)計(jì)選擇的檢測(cè)電阻的內(nèi)阻為0．003Ω,，自身允許功耗為l W,。表1提供了部分檢測(cè)電阻的規(guī)格和指標(biāo)。



選定檢測(cè)電阻后,，即可根據(jù)以下公式來(lái)確定過(guò)流限制電阻R_ISET1的大小,。

3．3 MOSFET的選擇

選擇合適的MOSFET的第一步是選定VDS和ID標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于12 V系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，VDS應(yīng)為30 V或40V,，這樣可以處理可能損壞MOSFET的瞬變。MOSFET的ID應(yīng)遠(yuǎn)大于所需的最大值，圖2所示是MOSFET的SOA圖,。事實(shí)上,，在大電流應(yīng)用中，最重要的指標(biāo)之一是MOSFET的導(dǎo)通電阻R_DSON,。較小的R_DSON能確保MOSFET在正常工作時(shí)具有較小的功耗,，并在滿負(fù)載條件下產(chǎn)生最少的熱量。



為防止MOSFET過(guò)熱,，應(yīng)考慮MOSFET在直流負(fù)載條件下的功耗,。隨著MOSFET溫度的升高，通常額定功率將會(huì)減小或降額,，此外,，在高溫下工作時(shí)，MOSFET的使用壽命也會(huì)縮短,。

本設(shè)計(jì)選擇的MOSFET型號(hào)為IRLR3103,，其中V_DSS為30 V；R_DS(ON)為0．019 Ω,；I_D為46 A,。這樣，根據(jù)后端負(fù)載最大電流為11A就可以計(jì)算出MOSFET上所損耗的功率：

P_MOSFET=I_LMT1²R_DS(ON)=11×11×0.019=2.3W

查詢TRLR3103數(shù)據(jù)手冊(cè)可得出R_THIJ=50℃／W,，由于MOSFET需要消耗約2．3W的功率,，因此，最壞條件下,，其溫度可能上升到高于室溫的115℃,。降低這個(gè)數(shù)值的一種方法是并聯(lián)使用兩個(gè)或更多的MOSFET，這樣能有效降低RDS(0N),，從而降低MOSFET的功耗,。使用兩個(gè)MOSFET時(shí)，  假設(shè)電流在器件間均勻匹配(允許一定的容差),，那么,，每個(gè)MOSFET的溫度升高最大值為29℃,。

假設(shè)室溫T_A為25℃,，再加上這個(gè)溫度上升值，那么每個(gè)MOSFET的最大溫度為54℃,。

為了保證MOSFET在最壞條件下能安全工作,，設(shè)計(jì)時(shí)還必須進(jìn)行一定的降額設(shè)計(jì)。圖2中的MOSFET的SOA圖是在室溫25℃時(shí)的結(jié)果,，而系統(tǒng)的實(shí)際工作溫度肯定不會(huì)一直維持在25℃,。假設(shè)系統(tǒng)工作的最高環(huán)境溫度為50℃，那么，就必須重新測(cè)試出50℃情況下的SOA曲線,。

首先,，計(jì)算25℃下的功耗：



其中，RTHJC可從MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中查詢到,。

現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度50℃下的功耗進(jìn)行同樣的計(jì)算：



這樣,，MOSFET的降額系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算：



為了反映調(diào)節(jié)過(guò)的額定功率，需要把表示施加最大功率的時(shí)間值對(duì)角線向下平移?，F(xiàn)使用1 ms線來(lái)舉例說(shuō)明其曲線原理,。例如，在這條線上取一點(diǎn),，如(30 V,，10 A)，這點(diǎn)的功率為300W,，那么,，在30 V，降額后的功率所對(duì)應(yīng)的電流為7．14 A,，這樣,，在SOA圖上，這點(diǎn)將確定新的50℃降額后的l ms線,。使用同樣的辦法可確定新的10 ms以及100μs線等,。

3．4 定時(shí)電容的選取

在圖2中沿IMAX≈11 A畫(huà)一條水平線，再沿VMAX≈13．2V畫(huà)一條垂直線,，并確定它們與黑色實(shí)線的交叉點(diǎn),。這些交叉點(diǎn)所指示出的1 ms與10ms之間的某個(gè)時(shí)間，也許是3 ms,，就是應(yīng)選擇的時(shí)間,。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖的小范圍內(nèi)，一般很難獲取準(zhǔn)確的數(shù)值,，因此,，要進(jìn)行慎重的選擇，并要考慮到這些選擇對(duì)性能以及價(jià)格等其它標(biāo)準(zhǔn)的影響,，同時(shí)要確保留有足夠的容差,。

小于3ms的定時(shí)器足以保護(hù)MOSFET，如果選定的時(shí)間恒定為3 ms,，則定時(shí)電容就可通過(guò)下公式獲得：



3．5 最終設(shè)計(jì)電路

根據(jù)上述分析,，最終得到的基于TPS2301芯片的熱插拔控制電路如圖3所示。



4 結(jié)束語(yǔ)

該電路經(jīng)實(shí)際應(yīng)用,，在對(duì)故障電路板進(jìn)行插拔時(shí),，設(shè)備中的其他電路板可以保持正常工作,，設(shè)備性能不受影響，故可證明,，該設(shè)計(jì)符合實(shí)際使用要求