摘要
本文詳細介紹了熱插拔電路基礎，以及要求使用系統保護與管理(SPM) 和印刷電路板(PCB) 基板面極其珍貴的情況下系統設計人員所面臨的諸多挑戰。以模塊化實現利用集成數字熱插拔控制器時，我們為您介紹了一種框架，用于檢查設計的各項重要參數和熱插拔系統保護電路的PCB 布局。另外，文章還列出了相關實驗結果報告。
高密度系統的熱插拔電路保護
許多分布式電源系統（如圖1 所示）都集成了總線轉換器、負載點(POL) 與線性穩壓器，專用于高性能刀片式服務器、ATCA 解決方案和通信基礎設施系統[1]。這些系統越來越多地應用于一些日益小型化的實現中，旨在降低成本。為了保證這些系統擁有最大的可靠性和最長的持續運行時間，熱插拔控制器[2]是首選方法，因為它可以提供最理想的系統保護和電管理，特別是能夠達到服務器市場的嚴格要求。系統保護與管理(SPM) 功能專用卡邊緣的可用PCB 基板面已變得相當狹小，這并不讓人感到意外。這種情況帶來的結果是，設計工作主要集中在了高功率密度、低成本熱插拔電路實現上面。
圖1電信系統分布式電源架構例子
在這類應用中，熱插拔控制器的特點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、故障監控診斷與保護以及高精確度電氣（電壓、電流、功率）和環境（溫度）參數測量，目的是提供實時的系統模擬或數字域遙測。特別是，如果服務器機架一個線卡出現故障，該故障應隔離在該特定線卡，不會影響系統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通過接口連接至某個通過MOSFET，其同電源通路串聯，從而實現“開/關”功能和電流檢測低電阻分流器。
圖2 顯示了典型服務器系統中為供電量身定做的線卡接口和熱插拔電路原理圖，并為后續討論的模板。討論過程中，我們將不厭其煩地詳細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控制器。在–48V底板系統中，該控制器參考至48V電壓軌，并且根據要求上下浮動。在所有情況下，當檢測到故障Q1 被熱插拔控制器迅速關閉時，必要時接地連接可不中斷。
熱插拔模塊提供一種方便的標準化方法，實現一站式熱插拔解決方案。這種模塊是一種單獨、獨立的子配件，它們是一些結構相同、超緊湊、獨立自主、經過完全驗證和測試的組件，完全適合于高容量SMT 制造。同樣，它可在多個系統和應用之間靈活地部署使用，從而極大地減輕了系統工程師的設計工作負擔。熱插拔模塊通常以一種中間夾層的方式平行堆疊在系統主板上，利用鍍過孔(PTH) 或者表面貼裝(SMT) 接頭與電源和信號連接形成母子配置結構。另外，需要注意的是，主板通過模塊的終端連接提供導電散熱。然而，使用雙面模塊板布局時，主要功耗組件通過MOSFET 和分流電阻器，放置于模塊的頂部，以有目的地利用應用環境中的自然或者強制對流。
電路規范
表1列出了熱插拔電路模塊的相關規范。
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規范 |
符號 |
值 |
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輸入電壓范圍 |
VIN |
10.8V–13.2V |
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輸出電流范圍 |
VBR |
0A–10A |
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電流限制 |
ICL |
12.5A±8% |
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斷路器電平 |
ICB |
22.5A |
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故障超時 |
TFAULT |
1 ms |
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最大環境溫度 |
TA(MAX) |
55°C |
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氣流速度 |
Q |
100 LFM (0.5 ms-1) |
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可用PCB面積（不包括PMBus連接器） |
APCB |
15 mmx 18 mm |
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數字遙測PMBusTM地址 |
Addr |
0x16 |
表1 熱插拔電路設計規范
在這種高功率密度熱插拔電路設計中，下列局限性尤為明顯：
· 成本：電氣（MOSFET、控制器、分流電阻器）和機械（連接器、PCB）組件
· PCB 面積：嚴重受限
· 組件規范：體積受限（尺寸和外形）
· 熱規范和散熱屬性：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載相關大容量存儲電容器，靠近負載放置于主板上，無需放置在熱插拔模塊上。
圖3數字熱插拔電路原理圖
表2 詳細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。
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電路組件 |
廠商部件編號 |
體積尺寸(mm) |
建議焊墊幾何尺寸(mm) |
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通過MOSFET |
TI CSD17309Q3 |
3.3 x 3.3 x 1.0 |
3.5 x 2.45 |
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分流器 |
Vishay WSL12062L000FEA18 |
3.2 x 1.6 x 0.64 |
3.5 x 2.45 |
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熱插拔控制器 |
TI LM25066A |
4.0 x 5.0 x 1.0 |
4.2 x 5.4 |
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TVS |
Vishay SMPC15A |
6.5 x 4.6 x 1.1 |
6.8 x 4.8 |
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開態電阻的30V 60A SON器件。如果圖4a的開態電阻溫度系數約為0.3%/°C，則55°C工作結溫下滿負載傳導損耗為0.6W。柵極到源極齊納二極管將MOSFET VGS維持在額定電平（正負極）。2°C/W的穩態結殼熱阻抗RthJ-C表明，殼結溫升約為1.2°C。最大額定MOSFET 結溫為150°C。故障狀態期間1 ms一次性脈沖時長條件下，圖4b 和4c的曲線圖分別表示50A、12V時的安全工作區(SOA) 大小，以及0.001的標準化結到環境瞬態熱阻抗ZthJ-A。
圖4CSD17309Q3[3] MOSFET: a) Rdson隨溫度變化情況；b) SOA; c)瞬態熱阻抗
分流電阻器RS
使用一個2 mΩ分流電阻器以后，LM25066可提供12.5A的主動電流限制（25 mV典型電流限制閾值電壓），并且精確度為±8%。因此，電流限制設置為額定滿負載電流的125%。快速作用斷路器功能設置為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。全部0.5W額定功率可用于70°C額定溫度，但后續線性降低至170°C。10A時的分流器功耗為0.2W。
熱插拔控制器U1
LM25066有一個I2C/SMBus接口（使用SCL、SDA/SMBA和地址引腳連接）和一個PMBus兼容型指令結構，以幫助執行動態系統配置和遙測。利用三個地址引腳，設置PMBus地址。分別使用1% 和2% 精確度測量電壓、電流和功率遙測。一個二極管連接的晶體管溫度傳感器，幫助輕松、精確地進行MOSFET 溫度測量。
TVS, Z1
電流中斷期間的電流轉換速率達到100A/µs甚至更大，因此輸入功率通路中的電源軌總線結構不可避免地存在寄生電感。存儲于該電感中的能量傳輸至電路中其他組件，以產生過電壓動態行為。這種電感式電壓過沖，會損害熱插拔MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性，除非對其進行正確的控制。按照圖3 所示，使用一個快速響應的單向TVS 二極管，連接VIN 和GND。它主要充當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VR 等于或者大于DC 或者連續峰值工作電壓電平。斷路事件期間承受峰值脈沖電流的TVS 鉗位電壓VC(MAX)，應低于MOSFET 和控制器的絕對最大額定電壓。另外，更高額定功率的TVS 擁有更大的電壓開銷，因為它的動態阻抗更低。因此，如果要求有更尖利的曲線圖拐點，則相比只根據峰值功率規范選擇的一般強制規定，選擇更大的TVS 要更加有利一些。
輸入電壓范圍為12V±10%時，選擇15V Vishay Esmp系列TVS。該器件有一個陽極和兩個陰極連接。1.1 mm的小體積，讓它能夠安裝在PCB 的底部。
輸入電容器CIN
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對CIN充電的脈沖電流一般會損害電容器的可靠性，因此這種電容并不怎么實用。當電容器位于熱插拔電路前面時，許多OEM 廠商將其看作為一個系統級可靠性問題，因此一般不會安裝這種電容器。
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，將電源和信號連接至主板。
圖5熱插拔電路PCB 布局
基本組件位于頂部，內部各層主要構成并行接地層，用于散熱和降低傳導損耗。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，連接至內部各層。請記住，表面貼裝組件焊接的PCB 作為散熱的主要方法。同樣，產生熱的一些組件，可以利用 PC B層內已經有的一些銅質多邊形材料、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。如果重復脈沖鉗制期間出現通過MOSFET穩態功耗和/或TVS 功耗，則板級散熱設計變得尤為重要。這種熱插拔控制器設計，通過在出現故障時鎖住電路或者在檢測到故障以后后續“重試”開始時提供足夠長的暫停時間，使這一問題得到緩解。
圖6熱插拔模塊照片
實驗結果
根據這種熱插拔控制器[2]實用實現，人們想出了各種實驗測量方法，以對電路性能進行評估：熱插拔帶電插入、電流限制和短路保護。圖7a、7b 和7c 分別描述了相關電路波形。
就這方面來說，它允許在檢測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。根據之前的一些考慮，同輸入通路串聯的寄生電感耦合高電流轉換速率，可能會在向通過MOSFET 發送一條關閉指令以后在熱插拔控制器VIN 和SENSE 引腳上引起破壞性瞬態出現。圖7c突出顯示部分，使用這種模塊時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)啟動前插入延遲熱插拔帶電插入；b）鎖閉電流限制響應；c）輸出短路引起的熱插拔斷路事件
輸入電流達到23A（46mV分流電壓）時，如圖7c所示，通過MOSFET 關閉（見綠色輸入電流線）。這時的輸入電壓有一個初始尖峰（原因是存在一些未鉗制寄生線路電感），但在約18V 時迅速被TVS 鉗位。
參考文獻
[2]PMBus的LM25066系統電源管理與保護IC
[3] NexFET功率MOSFET技術
[4]《熱插拔電路的TVS鉗制》，作者：Hagerty, Timothy，TI，刊發于2011 年10月《電源電子技術》
作者簡介
Timothy Hegarty現任TI 電源產品部首席應用工程師。Tim畢業于愛爾蘭考克大學(University College Cork, Ireland) 電子工程學士學位和碩士學位。在加盟TI以前，他曾效力于國家半導體和Artesyn Technologies。他的研究領域為集成PWM 開關式穩壓器與控制器、LDO、基準、熱插拔控制器、可再生能源系統和系統級模擬。他是IEEE 會員。