【龙腾原创】可插拔电路的设计-DIY电源设计DEMO分享-世纪电源网社区

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2014-6-18 23:37:18

服务器、网络交换机、冗余存储磁盘整列（RAID),以及其它形式的通信基础设施等高可用性系统，需要在整个使用生命周期内具有接近零的停机率。如何这种系统的一个部件发生了故障或是是需要升级，它必须在不中断系统其余部分的情况下进行替换，在系统维持运转的情况下，发生故障的电路板或模块被移除，同时替换部分被插入。这个过程被称为热插拔（hot swapping）（当模块与系统软件有相互作用时，也称为hot plugging）。为了实现安全的热插拔，通常使用带交错引脚的连接器来保证地和电源的建立先于其它连接，另外，为了能

够容易的从带电背板上安全的移除和插入模块，每块印制板（PCB）或热插拔模块都带有热插拔控制器。在工作状态下，控制器还可提供持续的短路保护和过流保护。
尽管切断或开启的电流会比较大，但大电流设计的一些微妙之处却常常未得到充分的考虑。“细节决定成败”，本文将重点介绍热插拔控制电路中各部件的功能及重要性。
热插拔技术
常见的两种系统电源电压为-48V和+12V，它们使用不同的热插拔保护配置。-48V系统包含低端热插拔控制器和导通MOSFET；而+12V系统使用高端热插拔控制器和导通MOSFET。
-48V方案来源于传统的通信交换系统技术，如高级通信计算机架构（ATCA）系统、光网络、基站、以及刀片服务器。48V电源通常可由电池组提供，选用48V是因为电源及信号能被传输至较远的距离，所以不会产生严重的电气冲击危险。采用负电压的原因是，当设备不可避免的暴露在潮湿环境中时，在正极端接地的情况下，从阳极到阴极的金属离子迁移的腐蚀性较弱。
然而，在通信系统中，距离并不是重要因素，+12V电压会更加合理，它通常用于服务器及网络系统中。本文将重点介绍+12V系统。
热插拔事件
考虑一个具有12V背板及一组可移除模块的系统。每个模块必须能在不影响相邻模块正常工作的条件下被移除和替换。当没有控制器时，每个模块可能会对电源线造成较大的负载电容，通常在毫法量级。首次插入一个模块时，其未充电的电容需要所有的可用的电流来对其进行充电。如果不对这个浪涌电流进行限制，这个很大的初始电流会减低断电源，导致主背板上的电压大幅度下降，使整个系统中的多个模块复位，并破坏模块的连接器。
这个问题可以通过热插拔控制器（图1）来解决，热插拔控制器能合理控制浪涌电流，确保安全上电间隔。上电后，热插拔控制器还能持续监控电源电流，在正常工作中避免短路和过流。

通常实现热插拔有两种方式，一种是通过热插拔控制器，这种方式安全可靠，成本较高；另外一种是通过电路实现，这种对单板的功率不是特别大，能够节约成本。
热插拔控制器
ADM1177热插拔控制器包括三个主要元件（图2），用作电源控制主开关的N沟道MOSFET、测量电流的检测电阻，以及热插拔控制器。热插拔控制器用于实现MOSFET导通电流的环路，其中包含一个电流检测放大器。

热插拔控制器内部的电流检测放大器用于监测外部检测电阻上的电压降。这个小电压(通常为0~100mV)必须被放大器放大到可用的水平。ADM1177中放大器的增益为10，那么，举例来说，某个给定电流产生的100mV电压降将被放大到1V。这个电压与固定或可变的基准电压进行比较。如果使用1V的基准源，那么在检测电阻上产生的100mV(±3%)以上电压的电流将导致比较器指示过流。因此，最大电流触发点主要取决于检测电阻、放大器增益，以及基准电压；检测电阻值决定最大电流。定时器电路用于设定过流持续时间。
ADM1177具有软启动功能，其中过流基准电压线性上升，而不是突然开启，这使得负载电流也以类似的方式跟着变化。这可通过从内部电流源往外部电容（SS引脚）注入电流，令比较器的基准输入从0V到1V线性升高而实现。外部SS电容决定了上升的速度。如果需要，SS引脚可可以直接使用电压驱动，以设定最大的电流限。
由比较器及参考电路构成的开启电路用于使能器件。它精确设定了使能控制器所必须达到的电源电压。器件一旦使能，删极就开始充电，这种电路所使用的N沟道MOSFET的栅极电压必须高于源极。为了在整个电源电压（VCC）范围内实现这个条件，热插拔控制器集成了一个电荷泵，能够将GATE脚的电压维持在VCC还高10V的水平。必要时，GATE引脚需要电荷泵上拉电流来使能MOSFET，并需要下拉电流来禁止MOSFET。微弱的下拉电流用于调节，较强的下拉电流则用于在短路情况下快速禁用MOSFET。
通过电路实现热插拔功能
如图3所示，是通过电路搭建的热插拔电源保护电路，板卡插入背板时，电源正负极与连接器先接触，然后信号线后接触连接器，FROM CPU BOARD 1信号来着与CPU主控板，一旦此信号连通，会有一个高电平，通过R1，C1的充电让光耦导通，然后导通P沟道MOSFET，是的板卡慢慢供上电，这个可以调大R1，C1来是这个供电过程更缓慢一些。
此电路原理简单，可靠性高，成本低，适合要求不是特别的可插拔系统。

总之，可插拔的电源设计尤为重要，直接影响到系统的正常工作，系统的可靠性等，当我们在权衡电路的复杂度，电路的成本，可以根据需求来设计需要的电源保护电路。

收藏6

		2 YTDFWANGWEI YTDFWANGWEI 离线 LV7 版主积分：109874 \| 主题：142 \| 帖子：45925 访问空间发消息积分:109874 版主 2014-6-19 08:01:51 倒数4
		电源的输出防倒灌经常用到这个电路。回复 \| 举报 \|

		3 YTDFWANGWEI YTDFWANGWEI 离线 LV7 版主积分：109874 \| 主题：142 \| 帖子：45925 访问空间发消息积分:109874 版主 2014-6-19 08:34:30 倒数3
		剪刀手。回复 \| 举报 \|

			4 flowerhuanghua flowerhuanghua 离线 LV6 高级工程师积分：1137 \| 主题：60 \| 帖子：107 访问空间发消息积分:1137 LV6 高级工程师 2014-6-19 12:56:29 倒数2
			可插拔除了电源外，还需要对信号线进行隔离，例如lvc16244，高速差分接口芯片。大家可以一起讨论哈。回复 \| 举报 \|

		5 虎仔虎仔离线 LV6 高级工程师积分：686 \| 主题：14 \| 帖子：122 访问空间发消息积分:686 LV6 高级工程师最新回复 2014-9-1 18:36:28 倒数1
		金手指出再，是插拔的前提条件吧，很有创意的回复 \| 举报 \|