熱插拔問題
高可用性系統必須連續工作，不能中斷服務。為了在底盤上裝有很多電路卡的大型系統中實現這樣的可靠性，必須能夠在不給系統斷電的情況下增加新卡和替換舊卡或損壞的卡。但是，在帶電背板上拔出和插入板卡可能引起成堆的問題。背板上板卡連接器之間常常有很大的電感，背板電源也有很大的電容。斷開一個仍在消耗負載電流的板卡能導致背板上出現振鈴和大的電壓尖峰，這有可能干擾甚至損壞附近的電路板。在電壓更高的應用中（如 48V 配電系統），拔出板卡可能引起電弧，導致連接器接觸點損壞。甚至會出現更嚴重的情況：當插入一個新的板卡且其電源軌第一次聯接時，不受限制的背板電流會給板卡電容充電并引起災難性的瞬態浪涌。迄今為止，已經逐漸出現了各種電路，可在這類系統中實現板卡的安全“熱”插拔。
熱插拔解決方案的發展過程
如圖 1 所示，在背板和具有大電容的板卡之間放置開關 M1，以解決一些熱插拔問題。以某種控制方式接通和斷開這個開關可以最大限度地減小對背板電源的干擾。插入板卡時，這個開關起初靠 R1 保持關閉狀態。電源軌接通以后，短引腳連接并通過 R2 給 C1 充電以接通開關。箝位電路 Z1 將 M1 的柵極電壓限制在安全值上。當板卡拔出時，短引腳首先斷接，允許 R1 慢慢關閉 M1。
這個簡單的電路有幾個缺點。首先，雖然 M1 柵極的波形是緩慢上升的，但是功率晶體管的高增益導致輸出電壓以快得多的速度上升。因此， 要實現滿意的接通速度，所需的 R1、R2 和 C1 的值高到了不現實的程度。其次，通過 R1 斷開 M1 的過程非常慢，也許比拔出板卡所花的時間還長。因此這個開關在長引腳斷接時仍有可能允許電流流過。第三，如果板卡短路或過載，惟一的保護是慢速作用的保險絲 F1。最后，在正電壓系統中，這個電路中的 M1 必須采用 P 型 MOSFET，這一般不如采用 N 型器件經濟。
熱插拔控制器更準確地限制浪涌電流" border="0" height="336" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/f5adb1a2-bd2e-4961-80cc-18d7c3f3646e.jpg" width="530" />
早期集成的熱插拔控制器（如圖 2 所示的 LT1640）解決了很多這類問題。當短引腳連接時，控制器以電流固定為 45μA 的電流源接通開關。起初，它會給 MOSFET 柵極充電，直到 MOSFET 接通為止。當輸出電壓開始變化時，該電流轉而給柵漏之間的電容器 C2 充電。通過選擇 C2 來準確設定輸出電壓轉換率和浪涌電流。在拔出板卡時，該控制器在連接器接觸點斷開之前迅速斷開 MOSFET 開關。此外，電流檢測電阻 RS 與比較器 A1 一起形成一個電子斷路器，如果負載電流超過所設定的限度，那么這個斷路器就斷開開關。就正電壓系統而言，像 LTC1422 這樣的器件還提供一個充電泵以驅動不那么昂貴和用于高壓側電源軌的 N 型 MOSFET。
很多系統都有持續時間很短的電源瞬態，這是正常現象。例如，電信系統可能在冗余電源之間切換，從而在板卡輸入電壓中引起幾伏的階躍。在帶有電動機的系統中（如磁盤驅動器），電動機啟動時可能出現持續時間很短的大電流。這樣的事件可能導致負載電流瞬間超過斷路器門限，從而錯誤地關閉開關。第二代熱插拔控制器發展到可以區別真的故障和工作瞬態，并提供恰當的故障保護。將圖 2 所示的比較器變成主動限制電流的放大器就可以解決這個問題。LT4250 等器件將電流限制到一個安全值上，然后，如果故障持續時間超出了定時器的設定值，就關閉開關。
在出現浪涌和輸出過載時主動限制電流這進一步的改進簡化了熱插拔電路。這允許去掉電容器 C2 并更快地升高輸出電壓。限流定時器常常是可調的，因此可以讓過載持續時間與特定系統需求和 MOSFET 的堅固性相匹配。用于 -48V 系統的 LTC4252A 和用于正電壓系統的 LT4256 就是這類器件。
數字監控——熱插拔控制器的新紀元
提高智能程度改善可靠性
在復雜的高可用性應用中，出于多種原因，監視系統電源變得越來越重要了。首先，隨著時間推移，你可以觀察表明工作反常和預示即將出現故障的異常動向。其次，系統在不同類型的板卡之間分配功率以節約使用總電源容量是今天的常見做法。電源監控確保板卡消耗的功率保持在所分配的限額之內。熱插拔電路放置在電源連接器附近，因此自然而然地成為對進入板卡的功率進行監視的處所。
LTC4260、LTC4261等最新一代熱插拔控制器使功率監視很容易進行。除了浪涌電流控制、電子斷路器等核心熱插拔功能以外，LTC4261（如圖 3 所示）還包含一個 10 位模數轉換器、多路復用器、前置放大器電路和數字接口，能實現前所未有的監視和控制水平。這個器件測量輸入電壓和電流檢測電阻上的電壓。知道了電壓和電流就可以確定板卡的功率并觀察動向。此外，還可以利用附加的自由數據轉換器輸入實現額外的測量，如測量 MOSFET 上的電壓或輸入保險絲狀態。
由于具備數字接口而增加 的功能遠不止監視板卡功率。你還可以向器件發布指令以控制電源并配置及報告各種故障表現。例如，開關可能由于背板欠壓狀態等故障而斷開。在這種情況下，可以設定一個標記，根據這個標記確定故障原因。這也可能產生一個“報警信號”，將中斷電壓拉低以通知系統出現了故障。此外，你還可以設置，出現哪些故障時讓板卡永久斷開或自動再加電。例如，遠程或難以提供服務的系統可能優先選擇在欠壓狀態結束時允許板卡自己重新啟動。
這種信息可以兩種方式獲取。首先，你可以采用常見的I2C總線讀寫寄存器。在-48V系統中，這常常意味著跨隔離勢壘向I2C主器件發送數據。LTC4261將發送和接收數據引腳（SDAO 和 SDAI）分開以簡化隔離電路。其次，你可以利用單線廣播模式進一步降低成本。在這種情況下，單輸出引腳和外部光隔離器重復發送一個數據流，提供了寄存器內容和所測得的電壓和電流值。
監視多種故障
現代熱插拔控制器除了過流，還監視多種故障。在 -48V 系統中，對所允許的工作電壓常常有嚴格的要求以保護負載。兩個欠壓輸入 UVH 和 UVL 允許從斷開電壓（如 -38V）獨立選擇接通電壓（如 -43V）。如果輸入電壓太高，那么過壓輸入 OV 就斷開開關。
LTC4261 簡化了電源啟動過程，并確保就負載而言恰當的電源啟動。它延遲產生電源良好信號，在MOSFET開關升高板卡電源電壓之后啟動負載。接著，加電定時器啟動。系統監視器必須回來終止定時器，以指示正常工作狀態。如果由于系統啟動出現故障，定時器最終沒有接收到這個信號，那么電源就關斷。
軟啟動和獨立浪涌電流限制改善連接
除了很多新型監視功能以外，基本浪涌控制功能也在不斷改善。在某些具有極大背板電感的應用中，不僅必須控制浪涌電流，還必須限制浪涌電流的上升速度（dI/dt），以最大限度地減小對背板的干擾。限流電路現在納入了軟啟動功能以限制dI/dt，而dI/dt是通過選擇外部電容器CSS來控制的。
另一個改進是將插入板卡時的浪涌電流限制與斷路器使用的工作電流限制分開。在負載電流很大的系統中，可能存在很大的負載電容。如果將這么大的電容充電到48V，會存儲相當高的能量。啟動時在MOSFET 開關中消耗等量的能量，這是最大的負擔。LTC4261允許定義斷路器限流值，可以用RS設置，不受用C2設置的浪涌電流的影響。因此，你可以給大負載電容加電，同時最大限度地降低MOSFET的功耗和尺寸。圖4顯示 LTC4261 在一個 -48V 板卡插入后啟動該板卡的過程。
結論
在板卡帶電插入時，安全管理電源是要求高可用性系統的關鍵功能。過去幾年人們已經對電路進行了多種改進，以確保板卡帶電插入時的安全。早期的熱插拔電路粗略限制浪涌電流。后來的改進是增加電子斷路器來隔離故障、增加比較器來監視電壓以及增加電源良好信號來安全地啟動負載。今天，這些電路含有具備片上數據轉換器的數字接口，允許系統連續監視和管理電源。有了這樣的信息，就可以設計達到更高的可靠性和耐用性的系統。