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(tǒng)導(dǎo)電的工作狀態(tài)下,，將模組,、卡或連接器插到系統(tǒng)上而不影響系統(tǒng)的操作。
圖1所示為熱插拔過(guò)程,，其中左邊代表系統(tǒng)及其供電,，在供電的輸出端有一個(gè)電容，右側(cè)有兩張卡,，這些卡的輸入端也有電容,。把卡插入系統(tǒng)之前，輸入電容沒(méi)有被充電,；當(dāng)把卡插入系統(tǒng)時(shí)會(huì)有一個(gè)很大的瞬間電流向輸入電容充電,，這么大的瞬時(shí)電流很可能造成系統(tǒng)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(gè)比較低而且合理的水平,。其實(shí)現(xiàn)方法有幾種,，其中使用PTC（正溫度系數(shù)的熱敏電阻），是最簡(jiǎn)單的方法,。PTC依靠本身的電流發(fā)熱改變阻抗，從而降低瞬間電流的幅度,，其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢,，而且長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響使用壽命。MOS管電流檢測(cè)電阻加上一些簡(jiǎn)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(gè)驅(qū)動(dòng)MOS設(shè)計(jì)和電流檢測(cè)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(tài)報(bào)告等,，能夠提升系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
熱插拔的實(shí)現(xiàn)如圖2所示,，是通過(guò)在供電與負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)MOS管和一個(gè)電流檢測(cè)電阻完成的,。電流檢測(cè)電阻的目的是將流過(guò)MOS管的信號(hào)傳給控制線路，控制線路再根據(jù)電流設(shè)定和計(jì)時(shí)電路來(lái)控制MOS管的導(dǎo)通,。
接下來(lái)以UCC3915為例說(shuō)明熱插拔過(guò)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(shí)電容電壓的波形，可以看到當(dāng)輸出電流上升到ITRIP時(shí),，計(jì)時(shí)電容開(kāi)始充電,，電壓上升，開(kāi)始計(jì)時(shí),；如果輸出電流超過(guò)ITRIP并一直上升到IMAX（設(shè)定的最大值）,，由于此時(shí)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(huì)被限制在IMAX,。另一方面，如果計(jì)時(shí)電容電壓達(dá)到1.5V,，MOS管就會(huì)斷開(kāi),，輸出電流下降到0。MOS管斷開(kāi)之后電容會(huì)被放電,，直到下降到0.5V,，然后MOS管重新啟動(dòng)，此時(shí)電流開(kāi)始上升,。如果輸出電流還很高,，則會(huì)將輸出電流限制在IMAX，經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)后電路又會(huì)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(méi)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(méi)有加入熱插拔功能的時(shí)候，瞬間電流幅度很大，高的瞬間電流幅度造成了系統(tǒng)電壓大約1V的下降幅度,；當(dāng)加入了熱插拔,，這一瞬間電流被限制在一個(gè)較低的水平，對(duì)系統(tǒng)電壓影響較小,，從而達(dá)到熱插拔的目的,。
系統(tǒng)中加入熱插拔的好處包括：
1）在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)情況下將損壞的模塊移除，還可以在開(kāi)機(jī)情況下做更新或擴(kuò)充動(dòng)作而不影響系統(tǒng)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?yàn)闊岵灏文軌蜃詣?dòng)恢復(fù),，有很多熱插拔芯片為系統(tǒng)提供線路供電情況的信號(hào),，以便系統(tǒng)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(tǒng),，如通信電源系統(tǒng)、伺服器電源系統(tǒng)等,，也可以用于儲(chǔ)存設(shè)備的電源供應(yīng),，因此這些設(shè)備需要在系統(tǒng)不斷電的情況下更換儲(chǔ)存設(shè)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(tǒng),，包括一些主要的規(guī)范,，如PCI、PCIe,、USB,、1394等，因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛,。
TI的熱插拔管理芯片
在選擇熱插拔芯片時(shí),，需要考慮的內(nèi)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(nèi)以及電流的限制,；
2）保護(hù)的模式,，可以選擇自動(dòng)恢復(fù)或者鎖死保護(hù)模式；
3）計(jì)時(shí)電路,，做斷電器的功能,；
4）其他工作狀態(tài)時(shí)的性能，如負(fù)載短路時(shí)需要高速響應(yīng),，負(fù)載增加時(shí)不損壞周邊器件,。熱插拔啟動(dòng)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(cè)電阻功耗等。
TI推出了很多熱插拔產(chǎn)品,，并且多個(gè)產(chǎn)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(qū)，從而提高產(chǎn)品可靠度,、降低成本,。另外一個(gè)功能就是di/dt（電流上升的速率），這能夠減少噪音和對(duì)電路零件的沖擊,。TI的熱插拔產(chǎn)品主要分為兩類：高壓熱插拔產(chǎn)品,，針對(duì)48V、-48V或24V應(yīng)用,；低壓熱插拔產(chǎn)品,，針對(duì)3V到15V的應(yīng)用。
對(duì)于高壓熱插拔產(chǎn)品,，又可以分為兩類：+48V產(chǎn)品和?48V產(chǎn)品,，如圖4所示。48V的產(chǎn)品有TPS2490和2491,，這個(gè)產(chǎn)品的工作電壓從9V到80V,，含有一個(gè)獨(dú)特的功能叫做定功率的設(shè)定。?48V的熱插拔控制芯片,，包括TPS2390,、2391、2398和99,，這個(gè)系列針對(duì)簡(jiǎn)單的熱插拔的應(yīng)用,，工作電壓從?36到?80V，是8只腳的封裝,。第二個(gè)?48V的熱插拔是TPS2392和TPS2393,，是屬于全功能?48V的熱插拔產(chǎn)品，除了擁有TPS2390系列的所有功能之外,，也含有欠壓和過(guò)壓的設(shè)定,，提供兩只腳做連接器的檢測(cè)。
其中,，定功率是TI的一項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù),，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(guān)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,。