使用熱插拔控制器增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性

簡(jiǎn)介

在電子產(chǎn)品中，在不中斷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下安全地插入和拔出電源模塊的能力至關(guān)重要。眾所周知，熱插拔¹已成為從數(shù)據(jù)中心到電信系統(tǒng)等許多應(yīng)用的基本功能。為了確保系統(tǒng)在這些操作期間的安全性和完整性，需要專門的控制器。ADI公司的LTC4287在這類產(chǎn)品中具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文深入探討了這款熱插拔控制器在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中的性能、特性、益處和優(yōu)勢(shì)。

LTC4287：強(qiáng)大的熱插拔控制器

LTC4287是一款多功能的高性能熱插拔控制器，專為在系統(tǒng)實(shí)時(shí)添加或更換期間保護(hù)系統(tǒng)和插入的組件而設(shè)計(jì)。憑借全面的功能和強(qiáng)大的性能，LTC4287成為了許多關(guān)鍵應(yīng)用中的重要組成部分。

熱插拔要點(diǎn)

熱插拔涉及在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)插入或拔出組件（例如卡、電源或驅(qū)動(dòng)器）的行為。這個(gè)過(guò)程充滿挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰幚砉╇娷壊⒋_保電壓水平保持在安全范圍內(nèi)。熱插拔控制器通過(guò)提供以下主要功能，出色地解決了這些挑戰(zhàn)：

使用RC熱電路實(shí)現(xiàn)精確限流

熱插拔可提供精確限流，在熱插拔應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此功能可確保插入的組件所消耗的電流保持在安全范圍內(nèi)。一旦突發(fā)大沖擊電流或故障情況，控制器會(huì)迅速做出反應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)流事件的影響。用戶可以選擇使用RC熱電路，該電路模擬MOSFET從節(jié)到印刷電路板(PCB)的熱傳導(dǎo)，從而進(jìn)一步提高限流的準(zhǔn)確性。

故障檢測(cè)與保護(hù)

在熱插拔場(chǎng)景中，可能由于未對(duì)準(zhǔn)、組件損壞或其他因素而出現(xiàn)故障。熱插拔控制器配備全面的故障檢測(cè)機(jī)制，包括欠壓和過(guò)壓保護(hù)。它會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓水平，立即采取行動(dòng)隔離故障并保護(hù)系統(tǒng)。

沖擊電流控制

在插入電源裝置(PSU)期間，由于電容負(fù)載，可能會(huì)產(chǎn)生高沖擊電流，這可能會(huì)導(dǎo)致電壓下降并影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。熱插拔控制器集成了沖擊電流控制功能，可在插入過(guò)程中平穩(wěn)增加電流，以減輕電壓波動(dòng)。這種平穩(wěn)的啟動(dòng)過(guò)程可確保系統(tǒng)中的其他組件保持運(yùn)行而不中斷。

圖1 54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的示意圖

輸出電壓和電流監(jiān)測(cè)

為了確保插入的PSU正常運(yùn)行，熱插拔控制器通過(guò)集成的PMBus?對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可傳輸至LTpowerPlay^?進(jìn)行分析和評(píng)估。此監(jiān)測(cè)功能可以快速識(shí)別PSU行為中的任何異常，從而有助于快速響應(yīng)潛在問(wèn)題。

綜合控制

這款熱插拔控制器提供了良好的靈活性和可配置性。設(shè)計(jì)人員可對(duì)設(shè)置進(jìn)行自定義，以滿足其熱插拔系統(tǒng)的特定要求。這種適應(yīng)性在具有不同PSU需求的應(yīng)用中尤其寶貴。

系統(tǒng)級(jí)性能優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在，我們來(lái)看一下在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用（特別是54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用）中加入熱插拔控制器的優(yōu)勢(shì)和益處。參考圖1。

系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)專門針對(duì)并行模式功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而能夠通過(guò)熱插拔控制器從帶電背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模塊。在正常運(yùn)行期間，電荷泵和柵極驅(qū)動(dòng)器激活M1和M2 MOSFET，促進(jìn)電力向負(fù)載傳輸。這些柵極驅(qū)動(dòng)器由熱插拔控制器電源(V_DD)引腳供電，并包括內(nèi)置14 V柵極-源極鉗位，用于外部MOSFET保護(hù)。在熱插拔控制器中，通過(guò)一組比較器（包括欠壓(UV)、過(guò)壓(OV)和啟用(EN)比較器）在啟用柵極之前驗(yàn)證外部條件。三個(gè)欠壓保護(hù)電路（UVLO1、UVLO2和UVLO3）會(huì)驗(yàn)證輸入電源并在內(nèi)部生成5 V電源（INTVCC和DVCC）。當(dāng)DVCC超過(guò)閾值時(shí)，UVLO3還會(huì)觸發(fā)邏輯電路的上電初始化，并將EEPROM內(nèi)容讀取到操作存儲(chǔ)器中。在正常運(yùn)行期間，熱插拔控制器會(huì)在啟動(dòng)去抖延遲后激活外部N溝道MOSFET。

LTC4287提供雙級(jí)電流保護(hù)，利用開爾文電流輸入（SENSE+和SENSE-）引腳來(lái)監(jiān)測(cè)檢測(cè)電阻上的負(fù)載電流。它具有主動(dòng)限流和快速限流比較器閾值?？焖傧蘖鏖撝凳冀K設(shè)置為標(biāo)稱限流的三倍。當(dāng)檢測(cè)電壓達(dá)到限流閾值時(shí)，相關(guān)柵極被拉低以接合主動(dòng)限流環(huán)路。如果發(fā)生突然短路或輸入尖峰達(dá)到快速限流比較器閾值，則相應(yīng)的柵極立即被拉至源極，從而限制峰值電流。一旦檢測(cè)電壓恢復(fù)到限流閾值，主動(dòng)限流環(huán)路就會(huì)接管電流控制。

圖2 BR-080064，適用于54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計(jì)硬件

圖3 適用于連接到LTpowerPlay的54V至12V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計(jì)

增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性

在系統(tǒng)應(yīng)用中，可靠性至關(guān)重要。54 V至12 V PSU模塊的熱插拔是一個(gè)非常精細(xì)的操作過(guò)程，任何錯(cuò)誤或故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)或組件損壞。熱插拔控制器的精確限流和故障檢測(cè)機(jī)制確保熱插拔操作安全進(jìn)行，從而降低系統(tǒng)中斷和組件故障的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2所示系統(tǒng)應(yīng)用參考設(shè)計(jì)重點(diǎn)展示了LTC4287以及兩個(gè)能夠處理高達(dá)4 kW功率的54 V至12 V PSU模塊。其中還包含可通過(guò)LTpowerPlay^?（使用DC1613）訪問(wèn)的PMBus通信功能，以增強(qiáng)控制和監(jiān)測(cè)功能。

無(wú)縫維護(hù)

在必須保障連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用中，通常需要定期維護(hù)或更換組件。這款熱插拔控制器的沖擊電流控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能使PSU能夠順利插入和拔出。這意味著無(wú)需關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)即可執(zhí)行維護(hù)操作，從而最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并最大限度地提高系統(tǒng)可用性。

降低擁有成本

無(wú)需中斷系統(tǒng)運(yùn)行即可進(jìn)行組件熱插拔，從而可以顯著節(jié)省成本，可能降低30%至50%。關(guān)鍵應(yīng)用的停機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致收入或生產(chǎn)力的損失。通過(guò)部署熱插拔控制器，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為最大限度地減少或消除此類中斷，從而降低長(zhǎng)期總體擁有成本。

廣泛適用于多種應(yīng)用

熱插拔控制器并不局限于特定的行業(yè)或應(yīng)用。它可以集成到各種系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等。它具有良好的適應(yīng)性，能夠在不同場(chǎng)景中提供保護(hù)和控制，因而成為系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的多功能解決方案。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集

除了保護(hù)功能外，熱插拔控制器還提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，可提供豐富的信息。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)診斷、性能優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)非常有價(jià)值。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作員可以做出明智的決策，并在潛在問(wèn)題惡化之前主動(dòng)加以解決。

系統(tǒng)應(yīng)用示例中包含一個(gè)熱插拔控制器和PMBus協(xié)議通信（參見圖3），提供了用戶友好的可訪問(wèn)性。當(dāng)配置了GPIO引腳時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)讀取A/D寄存器、故障檢測(cè)和通過(guò)ALERT#中斷進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)等任務(wù)。PMBus設(shè)備的輔助地址由ADR0和ADR1引腳決定，每個(gè)引腳提供三種狀態(tài)（接地、INTVCC或保持開路），總共提供9個(gè)設(shè)備地址。

簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這款熱插拔控制器功能全面，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)人員可以依靠這款控制器來(lái)管理熱插拔操作，從而降低系統(tǒng)其余部分的復(fù)雜性。這種簡(jiǎn)化可以縮短開發(fā)周期并減少設(shè)計(jì)工作量。

54V至12V系統(tǒng)解決方案的電氣性能和結(jié)果

在系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)中，對(duì)這款熱插拔控制器在多種測(cè)試條件下的性能進(jìn)行了評(píng)估：

參數(shù)：系統(tǒng)應(yīng)用的電氣指標(biāo)

輸入電壓范圍：40 V至60 V

負(fù)載電流：0 A至130 A

工作溫度：0°C至60°C

在評(píng)估熱插拔控制器時(shí)，根據(jù)特定應(yīng)用的要求，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)。以下是一些需要評(píng)估的重要參數(shù)：

過(guò)流保護(hù)

熱插拔控制器采用多級(jí)方法來(lái)提供強(qiáng)大的過(guò)流保護(hù)。首先，它采用具有預(yù)設(shè)閾值的主動(dòng)限流(ACL)。

圖4 限流保護(hù)，輸入電壓40V，負(fù)載電流0A至130A

圖5 短路保護(hù)。輸入電壓為40V，負(fù)載電流為100A至130A

當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)此限制時(shí)，控制器會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，抑制電流并防止問(wèn)題進(jìn)一步加重。其次，快速限流比較器作為主動(dòng)限制的補(bǔ)充，能夠立即對(duì)突發(fā)的高幅度過(guò)流（例如短路）做出反應(yīng)。它會(huì)迅速拉低MOSFET柵極，限制峰值電流以保護(hù)電路免受損壞。此外，這款控制器支持故障報(bào)告和恢復(fù)。如果發(fā)生過(guò)流，它會(huì)通過(guò)指定的通用引腳(GPIO)報(bào)告故障，這些引腳可以與LED相連以指示故障。故障解決后，它就會(huì)促進(jìn)受控恢復(fù)，逐步恢復(fù)對(duì)負(fù)載的供電，以安全地恢復(fù)正常運(yùn)行。圖4顯示了如何對(duì)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行編程，以便在線路電流超過(guò)128 A時(shí)快速做出反應(yīng)，同時(shí)鎖定輸出以防止發(fā)生潛在的危害。當(dāng)達(dá)到限流時(shí)，熱插拔控制器的故障引腳會(huì)被激活。

短路保護(hù)

LTC4287配備多級(jí)短路保護(hù)系統(tǒng)，以確保短路事件期間PSU模塊的安全。首先，它能夠立即響應(yīng)短路，具有快速限流比較器，可對(duì)突發(fā)的高幅度短路情況做出迅速反應(yīng)，包括快速下拉MOSFET開關(guān)柵極以限制峰值電流并保護(hù)電路。此外，還實(shí)施了主動(dòng)限流機(jī)制，為正常運(yùn)行建立了預(yù)定義的限流閾值。如果短路電流超過(guò)該閾值，控制器將通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓進(jìn)行干預(yù)，以將電流降低至安全水平。

如圖5所示，如果在正常運(yùn)行期間發(fā)生短路，這款熱插拔控制器會(huì)立即斷開輸入與輸出，從而提供即時(shí)保護(hù)。然后，它會(huì)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，表示已觸發(fā)故障，具體以故障信號(hào)和電源良好(PGOOD)信號(hào)表示。這確保了輸入線路之間能夠得到充分的隔離。這種綜合方法可保證系統(tǒng)在短路情況下的安全性和彈性。

沖擊電流控制

熱插拔控制器中集成了熱沖擊電流管理，以限制熱插拔FET上因上電期間電流浪涌而引起的熱相關(guān)故障，確保安全啟動(dòng)。它通過(guò)測(cè)量串聯(lián)電流檢測(cè)電阻兩端的電壓來(lái)檢測(cè)電流的上升情況。軟啟動(dòng)電路逐漸增加輸出電壓，最大限度地降低超出MOSFET安全工作區(qū)(SOA)的電壓上升速率和電流尖峰。當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)短路時(shí)，定時(shí)器(TMR)引腳中編程的SOA定時(shí)器輸出會(huì)逐漸增加到大于2.56 V的TMR閾值。熱插拔控制器會(huì)自動(dòng)斷開線路而不激活保護(hù)MOSFET，如圖6所示。這樣就保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這些關(guān)鍵元件可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)有序的上電過(guò)程，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時(shí)減少電壓尖峰和浪涌。

圖6 40 V輸入電壓時(shí)的啟動(dòng)短路保護(hù)

圖7 33 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)欠壓保護(hù)(UVP)

圖8 64 V輸入電壓時(shí)觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)(OVP)

圖9 輸入電壓為40V和60V時(shí)，2kW負(fù)載下的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

總之，這款熱插拔控制器通過(guò)管理熱沖擊電流和限制浪涌來(lái)確保安全啟動(dòng)。它使用電流檢測(cè)電阻來(lái)檢測(cè)增加量，采用軟啟動(dòng)電路來(lái)最大限度地減少尖峰，并在發(fā)生啟動(dòng)短路時(shí)自動(dòng)斷開線路，從而增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。這些元件可保證平穩(wěn)上電，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時(shí)降低電壓尖峰。

電壓監(jiān)測(cè)

熱插拔控制器具有內(nèi)置電壓監(jiān)測(cè)功能，可確保54 V輸入到12 V系統(tǒng)應(yīng)用的安全穩(wěn)定。它會(huì)持續(xù)跟蹤電壓水平以進(jìn)行欠壓和過(guò)壓檢測(cè)，提供關(guān)鍵保護(hù)。它會(huì)評(píng)估熱插拔MOSFET后的輸入和輸出電壓，并在電壓低于欠壓閾值時(shí)做出響應(yīng)，從而防止出現(xiàn)操作問(wèn)題。同樣，如果它感應(yīng)到電壓超過(guò)了過(guò)壓限制，就會(huì)啟動(dòng)保護(hù)措施來(lái)保護(hù)組件免受潛在損壞。這種主動(dòng)響應(yīng)可防止因電壓波動(dòng)而導(dǎo)致的性能問(wèn)題，從而確保系統(tǒng)的可靠性和耐用性。電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制器內(nèi)置的EEPROM中。

圖7說(shuō)明了熱插拔控制器的欠壓保護(hù)機(jī)制，當(dāng)UV引腳的電壓低于閾值（測(cè)量值為2.14 V，相當(dāng)于PVIN電壓33 V）時(shí)，會(huì)使設(shè)備停止運(yùn)行。圖8則顯示了過(guò)壓保護(hù)機(jī)制，當(dāng)OV引腳的電壓超過(guò)閾值（測(cè)量值為2.47 V，對(duì)應(yīng)PVIN電壓為64 V）時(shí)，會(huì)關(guān)閉設(shè)備。當(dāng)輸入電壓恢復(fù)正常時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)重試并恢復(fù)?？梢酝ㄟ^(guò)修改UV和OV引腳上的電阻分壓器值來(lái)調(diào)整閾值。

溫度監(jiān)測(cè)

LTC4287利用遠(yuǎn)程晶體管作為傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。這樣便可以收集溫度數(shù)據(jù)以進(jìn)行系統(tǒng)健康評(píng)估和保護(hù)。

故障報(bào)告和指示

借助LTpowerPlay，這款熱插拔控制器可以有效地監(jiān)測(cè)和解決系統(tǒng)中的任何故障和異常，確保有效的管理和維護(hù)。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

這款熱插拔控制器具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)，可確保動(dòng)態(tài)負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出電壓，防止電壓波動(dòng)并保護(hù)系統(tǒng)中的敏感元件，如圖9所示。

準(zhǔn)確性和精確度

這款熱插拔控制器結(jié)合了高質(zhì)量組件、校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、降噪、反饋回路和數(shù)字通信功能，實(shí)現(xiàn)了出色的準(zhǔn)確性和精確度。這些特性共同確保了測(cè)量的可靠和一致，有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用的整體準(zhǔn)確性和精確度。圖10顯示了LTC4287輸出功率讀數(shù)與測(cè)試設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)的比較。

圖10 2 kW和4 kW功率負(fù)載之間的百分比誤差精度

校準(zhǔn)過(guò)程對(duì)于確保熱插拔控制器測(cè)量的準(zhǔn)確性和精確度至關(guān)重要，這對(duì)于重視數(shù)據(jù)可靠性和一致性的系統(tǒng)應(yīng)用尤為重要。通過(guò)在制造過(guò)程中校準(zhǔn)控制器并提供用戶校準(zhǔn)選項(xiàng)，LTC4287提供非常準(zhǔn)確和精確的電壓和電流測(cè)量，有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用和PSU模塊的整體性能和可靠性。

通過(guò)仔細(xì)評(píng)估可用參數(shù)和測(cè)試條件，這款熱插拔控制器可滿足系統(tǒng)應(yīng)用和其他大電流應(yīng)用的要求。

此外，還應(yīng)考慮加入一個(gè)強(qiáng)大的輔助電路，以便有效地為系統(tǒng)內(nèi)的各種內(nèi)部外設(shè)供電。在系統(tǒng)應(yīng)用中，參考設(shè)計(jì)已經(jīng)利用LT8631來(lái)提供穩(wěn)定的5 V電壓，利用LT3009確?？煽康?.3 V供電。

結(jié)論

ADI的LTC4287熱插拔控制器是一款強(qiáng)大的電源管理產(chǎn)品，可提高系統(tǒng)可靠性、減少停機(jī)時(shí)間并在系統(tǒng)級(jí)提供眾多優(yōu)勢(shì)。它具有故障保護(hù)、控制沖擊電流和提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力，是各個(gè)行業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用中不可或缺的組件。通過(guò)引入這款熱插拔控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確保順暢、高效的熱插拔操作，從而提高系統(tǒng)可用性并降低總體擁有成本。

此外，本文還初步介紹了54 V至12 V PSU模塊的參考設(shè)計(jì)；相關(guān)團(tuán)隊(duì)正致力于撰寫一篇詳盡的文章來(lái)闡述優(yōu)勢(shì)和益處。

參考文獻(xiàn)

1“了解、使用和選擇熱插拔控制器”。ADI公司，2003年12月。

作者簡(jiǎn)介

Christian Cruz是ADI（菲律賓）公司的產(chǎn)品應(yīng)用高級(jí)工程師。他擁有菲律賓馬尼拉東方大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子和電源控制固件設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有14年的工程經(jīng)驗(yàn)，包括電源管理解決方案開發(fā)及AC-DC和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2020年加入ADI公司，目前專注于研發(fā)消費(fèi)和云端基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部及系統(tǒng)通信應(yīng)用所需的電源管理解決方案。

Karl Audison Cabas自2020年9月起擔(dān)任ADI公司的應(yīng)用工程師，專注于電源應(yīng)用方面的工作。他擁有菲律賓理工大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和瑪布亞大學(xué)電力電子碩士學(xué)位。他在DC-DC電源轉(zhuǎn)換器方面擁有4年多的經(jīng)驗(yàn)。他之前的職責(zé)是處理客戶問(wèn)詢以及與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。他目前擔(dān)任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。

Ralph Clarenz Matoci?os畢業(yè)于菲律賓馬尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila(PLM)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。他在電力電子領(lǐng)域擁有一年多的工程經(jīng)驗(yàn)，包括電池管理系統(tǒng)開發(fā)和DC-DC電源轉(zhuǎn)換。他于2022年加入ADI，目前擔(dān)任云和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的電源系統(tǒng)應(yīng)用工程師。