熱插拔的工作原理、使用目的和應用

熱插拔的工作原理

熱插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系統(tǒng)導電的工作狀態(tài)下，將模組、卡或連接器插到系統(tǒng)上而不影響系統(tǒng)的操作。

圖1所示為熱插拔過程，其中左邊代表系統(tǒng)及其供電，在供電的輸出端有一個電容，右側有兩張卡，這些卡的輸入端也有電容。把卡插入系統(tǒng)之前，輸入電容沒有被充電；當把卡插入系統(tǒng)時會有一個很大的瞬間電流向輸入電容充電，這么大的瞬時電流很可能造成系統(tǒng)供電電壓不正常。

熱插拔的目的是將高的瞬間電流控制在一個比較低而且合理的水平。其實現(xiàn)方法有幾種，其中使用PTC（正溫度系數(shù)的熱敏電阻），是最簡單的方法。PTC依靠本身的電流發(fā)熱改變阻抗，從而降低瞬間電流的幅度，其缺點是反應速度慢，而且長時間使用會影響使用壽命。MOS管電流檢測電阻加上一些簡單的電阻電容延遲線路的方法成本低，比較適于低端用途。最好的方法是采用熱插拔芯片，通常該芯片包含一個驅動MOS設計和電流檢測電阻，它除了做基本熱插拔之外，還可以提供特殊功能，如控制電流上升速率、做斷電器、電源管理以及狀態(tài)報告等，能夠提升系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

熱插拔的實現(xiàn)如圖2所示，是通過在供電與負載之間串聯(lián)一個MOS管和一個電流檢測電阻完成的。電流檢測電阻的目的是將流過MOS管的信號傳給控制線路，控制線路再根據(jù)電流設定和計時電路來控制MOS管的導通。

接下來以UCC3915為例說明熱插拔過程中輸出電流電壓的情況。圖3中，左邊圖形是UCC3915的輸出電流、輸出電壓、即時電容電壓的波形，可以看到當輸出電流上升到ITRIP時，計時電容開始充電，電壓上升，開始計時；如果輸出電流超過ITRIP并一直上升到IMAX（設定的最大值），由于此時MOS管工作在線性模式，將最大輸出電流限制在這一水平而不讓輸出電流上升，因此輸出電流就會被限制在IMAX。另一方面，如果計時電容電壓達到1.5V，MOS管就會斷開，輸出電流下降到0。MOS管斷開之后電容會被放電，直到下降到0.5V，然后MOS管重新啟動，此時電流開始上升。如果輸出電流還很高，則會將輸出電流限制在IMAX，經過計時后電路又會將MOS管切斷，電路將按照這一原理一直工作。右圖中有兩組電壓和電流的波形，其中一組是沒有熱插拔的電壓電流波形，另外一組是加入了熱插拔的電壓電流波形。沒有加入熱插拔功能的時候，瞬間電流幅度很大，高的瞬間電流幅度造成了系統(tǒng)電壓大約1V的下降幅度；當加入了熱插拔，這一瞬間電流被限制在一個較低的水平，對系統(tǒng)電壓影響較小，從而達到熱插拔的目的。

系統(tǒng)中加入熱插拔的好處包括：

1）在系統(tǒng)開機情況下將損壞的模塊移除，還可以在開機情況下做更新或擴充動作而不影響系統(tǒng)操作；

2）由于熱插拔零件的可靠度提升，還可以將它們用做斷電器，而且因為熱插拔能夠自動恢復，有很多熱插拔芯片為系統(tǒng)提供線路供電情況的信號，以便系統(tǒng)做故障分析，因此減少了成本。

熱插拔非常適合用于高可靠度的系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)、伺服器電源系統(tǒng)等，也可以用于儲存設備的電源供應，因此這些設備需要在系統(tǒng)不斷電的情況下更換儲存設備或更新。熱插拔也適合于體積較小但可靠度要求很高的電源系統(tǒng)，包括一些主要的規(guī)范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此應用相當廣泛。

TI的熱插拔管理芯片

在選擇熱插拔芯片時，需要考慮的內容有：

1）熱插拔管理芯片的工作電壓范圍為48V、-48V或低電壓12V以內以及電流的限制；

2）保護的模式，可以選擇自動恢復或者鎖死保護模式；

3）計時電路，做斷電器的功能；

4）其他工作狀態(tài)時的性能，如負載短路時需要高速響應，負載增加時不損壞周邊器件。熱插拔啟動的瞬間，電流上升速率能夠被控制，從而減少噪音和沖擊水平；

5）MOS管或電流檢測電阻功耗等。

TI推出了很多熱插拔產品，并且多個產品中加入了特殊功能以提升熱插拔的工作功率，這能夠使熱插拔MOS管工作在安全區(qū)，從而提高產品可靠度、降低成本。另外一個功能就是di/dt（電流上升的速率），這能夠減少噪音和對電路零件的沖擊。TI的熱插拔產品主要分為兩類：高壓熱插拔產品，針對48V、-48V或24V應用；低壓熱插拔產品，針對3V到15V的應用。

對于高壓熱插拔產品，又可以分為兩類：+48V產品和？48V產品，如圖4所示。48V的產品有TPS2490和2491，這個產品的工作電壓從9V到80V，含有一個獨特的功能叫做定功率的設定。？48V的熱插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，這個系列針對簡單的熱插拔的應用，工作電壓從？36到？80V，是8只腳的封裝。第二個？48V的熱插拔是TPS2392和TPS2393，是屬于全功能？48V的熱插拔產品，除了擁有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠壓和過壓的設定，提供兩只腳做連接器的檢測。

其中，定功率是TI的一項獨特的技術，圖5將定功率限制和一般的線性電流仿真電路作比較，左邊的圖為一般線性電流仿真電路曲線，MOS管的電流和VDS呈線性關系；右邊的圖為定功率曲線，從圖中公式可以看到電流與VDS呈非線性。

當負載增加，如果沒有定功率限制，圖6中左上端的輸出電流上升很快，輸出電壓降低，流過MOS管的功率很可能漂出SOR之外；如果加入了定功率限制功能，左下端的電壓電流波形中電流上升很快，向輸入電容充電之后下降很快，而且同時保持MOS管工作點一直在SOR之內。因此只要將定功率限制設定好，就可以不考慮負載的變化，節(jié)約了MOS管成本。

負載短路時，如果沒有定功率限制，電流將會上沖并超過70A，15微秒后才能恢復到所設定的最大電流5A，這樣大的電流幅度很可能損壞線路周邊零件；加入功率限制功能后，電流上升幅度較小，只有20A，只要經過1微秒即可降到所設定的最大電流5A，而對于1微秒、20A的脈沖，MOS管完全工作在安全工作區(qū)之內。

對于-48V的一些熱插拔產品，有TPS2390、2391、2398、2399，這些芯片都只有8腳，工作電壓由-36到-80V，從應用線路看它們的應用很簡單，基本上只要考慮最大電流設定，然后是計時電路和TI獨特的設計功能叫做電流上升的速率。在TI的控制芯片中，很多的熱插拔產品都會有一個叫做RAMP的引腳作電流上升速率的設定，通常通過一個電容來設定電流上升的斜率。

很多控制器的設計都是采用電壓上升斜率控制，當熱插拔控制器啟動的時候，輸出電壓慢慢上升，但是輸出電流上升的很快，而且輸出電流上升的幅度根據(jù)不同的電容負載而不同，如果負載電容比較大，電流脈沖幅度相對很大，如此大的脈沖電流也會影響系統(tǒng)的正常操作。TPS239X系列采用電流上升斜率的導通方法，在啟動的時候，輸出電流的上升斜率可以依靠RAMP電容設定，RAMP電容越大，上升的斜率越慢，從而減少了系統(tǒng)噪音和沖擊的影響。

TI的低電壓熱插拔產品分為兩類：MOS管內置的產品和MOS外置的產品，如圖7所示。MOS管內置的產品包含UCC3912、UCC3915、UCC3918和TPS2420/21等，這些產品的最大允許流過電流是5安培，工作電壓由接近0V到12V，MOS外置的熱插拔控制芯片有單路和雙路控制芯片，兩種單路的控制芯片有TPS2330和TPS2331，雙路有TPS2300系列。

熱插拔可以應用于很多場合，圖8列出了不同設計應用所搭配的熱插拔產品，可以根據(jù)該表選擇適合的熱插拔器件。

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