Hot-swap Principle and Applications of High Reliability Power Systems
TI 公司
熱插拔的工作原理
熱插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系統導電的工作狀態下，將模組、卡或連接器插到系統上而不影響系統的操作。
圖1所示為熱插拔過程，其中左邊代表系統及其供電，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。把卡插入系統之前，輸入電容沒有被充電；當把卡插入系統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。其實現方法有幾種，其中使用PTC（正溫度系數的熱敏電阻），是最簡單的方法。PTC依靠本身的電流發熱改變阻抗，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、電源管理以及狀態報告等，能夠提升系統的工作狀態。
熱插拔的實現如圖2所示，是通過在供電與負載之間串聯一個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，對系統電壓影響較小，從而達到熱插拔的目的。
系統中加入熱插拔的好處包括：
1）在系統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提供線路供電情況的信號，以便系統做故障分析，因此減少了成本。
熱插拔非常適合用于高可靠度的系統，如通信電源系統、伺服器電源系統等，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，包括一些主要的規范，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，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。