了解、使用和選擇熱插拔控制器

本文介紹熱插拔控制器的功能和基本操作，以及用于控制浪涌電流的一些方案。本文討論了熱插拔控制器的特性和趨勢，并提供了電路板布局和MOSFET選擇的技巧。

熱插拔控制器IC可防止需要在需要將線卡插入帶電背板的應(yīng)用中發(fā)生損壞和操作故障。

當線卡插入帶電背板時，卡的放電電源濾波電容呈現(xiàn)低阻抗，需要大的突然“浪涌”電流。這種突然的高負載會導(dǎo)致背板的電源崩潰。參見圖 1a。

熱插拔控制器位于背板或可拆卸卡中，在首次插入卡時提供浪涌電流限制，并在卡運行時提供短路保護。

圖 1a.插入通電背板的印刷電路板通常會消耗過多的電流，并在背板的電源上產(chǎn)生尖峰。由于當電路板插入背板時，印刷電路板的旁路電容器幾乎總是放電，因此在這種情況下會消耗大量電流。

圖1b顯示了熱插拔控制器如何通過緩慢降低N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻來限制浪涌電流。當電路板首次插入時，控制器會緩慢增強 MOSFET，允許 MOSFET 漏極處的電壓從零伏上升（對于由負電源供電的印刷電路板，則從零伏下降）。從零伏控制這種上升（或下降）的兩種方案是常見的。

圖 1b.在 PC 板上增加一個熱插拔控制器，通過控制施加到旁路電容器的電壓的壓擺率來限制浪涌電流。

一種方案利用了通過電容器的電流等于C dV/dt的事實?？刂茐簲[率（即dV/dt）可控制流入旁路電容器的電流量。雖然這種方法很容易實現(xiàn)（它要求IC內(nèi)的恒流源饋入MOSFET的柵極，并且MOSFET的柵源電容值是已知的），但它確實有一個缺點：它依賴于旁路電容C的值。鑒于電解電容器的容差范圍為+20%至-60%，因此該技術(shù)在某些情況下無法提供足夠的精度。電容器的容差以及饋入MOSFET的電流源的容差可能使得有必要將電流提高到比預(yù)期更慢的速度，以確保它不會變得過大。這種方法通常需要在MOSFET的柵極和源極上連接一個額外的RC網(wǎng)絡(luò)。RC網(wǎng)絡(luò)的大小必須適合旁路電容，并且當旁路電容發(fā)生變化時必須調(diào)整其大小。

更精確的方法是直接控制浪涌電流，方法是檢測檢測電阻兩端的電流并相應(yīng)地控制柵極。旁路電容的值在決定流過它的電流量方面并不重要，并且該方法對MOSFET柵源電容不敏感，因此不需要外部RC網(wǎng)絡(luò)。它確實需要更復(fù)雜的反饋系統(tǒng)，但熱插拔IC已經(jīng)集成了復(fù)雜性。

某些熱插拔控制器提供的電路允許您選擇任一技術(shù)來控制浪涌電流。

熱插拔控制器中的功能

熱插拔控制器配備了多種功能。例如，許多控制器在存在某些條件時保持MOSFET關(guān)閉。其中兩種情況包括電源電壓低于控制器的欠壓鎖定電平，以及控制器內(nèi)的芯片溫度高于特定溫度閾值。第一個特性是欠壓鎖定，可保護 MOSFET 免受柵極驅(qū)動電壓不足的影響。第二個特性是檢測控制器的管芯溫度，也可以保護MOSFET，但前提是控制器與其保持良好的熱接觸。此功能可防止 MOSFET 在其溫度過熱時工作。

一旦熱插拔控制器將電路板安全地連接到帶電背板，它們在大多數(shù)情況下會在電路板從背板電源吸收過多電流時提供短路保護。在短路或長時間毛刺期間MOSFET斷開后，控制器可能會將其鎖存在此開路狀態(tài)，并要求發(fā)出命令以將電源重新連接到卡?；蛘?，如果滿足上一段所述的初始條件，它可能會自動嘗試將電路板重新連接到電源。

某些控制器上的電流限制可以編程，允許 MOSFET 在線卡吸收高于特定電平的電流時打開。此外，某些控制器可以檢測兩種不同類型的高電流情況：大幅度快速事件（短路）和小幅度慢速事件（毛刺）。在這里，控制器可以在檢測到短路時快速采取行動以打開MOSFET。但它也可以忽略瞬時低幅度毛刺，直到遇到延長的過流毛刺，此時它會緩慢打開MOSFET。

這些控制器中的其他功能也是可編程的。某些器件允許您改變啟動期間控制浪涌電流的壓擺率。其他允許你改變欠壓鎖定電平。還有一些功能允許您對過壓保護進行編程 - 該功能可檢測電源電壓何時上升到安全水平以上，并在發(fā)生時關(guān)閉MOSFET。

熱插拔控制器功能的趨勢

最新的控制器改變了用于檢測大電流條件的兩級方案?，F(xiàn)在可以在260ns內(nèi)做出短路響應(yīng)。但與此同時，這些電路的抗噪性得到了提高;它們可以在打開 MOSFET 之前容忍長達 3ms 持續(xù)時間的毛刺。此外，關(guān)閉MOSFET所需的毛刺持續(xù)時間與毛刺水平成比例變化;低幅度毛刺必須持續(xù) 3ms 才能打開 MOSFET，而高幅度毛刺需要按比例縮短持續(xù)時間。

由于熱插拔控制器現(xiàn)在監(jiān)控低至1V的電壓，因此檢測電阻兩端的壓降變得更加重要。電壓的精度當然會隨著檢測電阻兩端的壓降而提高。典型控制器檢測短路情況，檢測電阻兩端壓降50mV。目前有壓降低至25mV的器件可用。

為了減少元件數(shù)量，一些控制器現(xiàn)在取消了檢測電阻。它們監(jiān)視 MOSFET 漏極和源極兩端的壓降，而不是檢流電阻器上的壓降，以確定流入線卡的電流量。圖2顯示了一個控制器，該控制器在監(jiān)視通常為電信線卡供電的-48V電源時使用此技術(shù)。

圖2.大多數(shù)熱插拔控制器上的檢流電阻可以通過監(jiān)測MOSFET的漏源電壓來代替。此處所示的控制器在監(jiān)視通常為電信線卡供電的 -48V 電池時使用此技術(shù)。

如今，許多熱插拔控制器不再監(jiān)控單個電壓，而是同時監(jiān)控兩個、三個或四個電壓。包含子卡（其存在會改變線卡功能）的線卡構(gòu)成了這種趨勢的一個示例。這些熱插拔子卡通常由兩個低壓電源供電，這兩個電源都由熱插拔控制器監(jiān)控;1.8V和2.5V電源是常見的。

這些控制器占用的電路板面積現(xiàn)在是一個更大的問題，因為它們所在的 PC 板已經(jīng)變得更加密集地填充了組件。此外，控制器的高度已成為一個問題，因為如今越來越多的電路板被安置在同一個標準尺寸的機架中。刀片服務(wù)器就是一個很好的例子：每個線卡都充當一種服務(wù)器，其中許多是必需的。

有關(guān)使用熱插拔控制器的提示

熱插拔控制器的布局非常重要，因為短走線可以快速響應(yīng)短路和毛刺。此外，最大化大電流走線尺寸以降低寄生電感的影響也很重要。實現(xiàn)這些布局限制的兩個技巧：將控制器靠近線卡邊緣放置，并使用接地層以最小化阻抗和電感。當使用檢測電阻時，其引線也應(yīng)具有最小長度以及開爾文連接，以確保精確的電流檢測。

當輸出短路時，MOSFET 兩端的壓降變大。因此，開關(guān)兩端的功耗會增加，芯片溫度也會增加。在表面貼裝封裝上實現(xiàn)良好功耗的一種有效方法是在電路板兩側(cè)的MOSFET封裝正下方布置兩個銅焊盤。然后，您可以通過過孔將兩個焊盤連接到接地層，并在電路板的頂部使用擴大的銅安裝焊盤。

如上所述，如果熱插拔控制器檢測到自己的管芯溫度，請確保將 MOSFET 安裝在靠近控制器的位置，以便控制器可以檢測到過高的 MOSFET 溫度。

在大多數(shù)情況下，熱插拔控制器制造商會列出一個或多個與特定控制器配合良好的MOSFET。選擇您自己的MOSFET時，請根據(jù)應(yīng)用的當前電平進行選擇。MOSFET 的導(dǎo)通電阻 （RDS（ON））應(yīng)選擇足夠低的壓降，以在滿載時具有最小的壓降，以限制MOSFET的功耗。如果電路板具有脈沖負載或在滿負載時觸發(fā)外部欠壓復(fù)位監(jiān)視器，則高導(dǎo)通電阻會導(dǎo)致輸出紋波。根據(jù)特定控制器可能經(jīng)歷的最壞情況選擇 MOSFET 的額定功率。在高電流條件下閉鎖 MOSFET 的控制器通?？梢允褂镁哂休^高導(dǎo)通電阻和較低額定功率的 MOSFET，因為 MOSFET 通?？梢猿惺芎纳⒏哂陬~定封裝額定值的單脈沖。

審核編輯：郭婷