了解、使用和选择热插拔控制器

本文介绍热插拔控制器的功能和基本操作，以及用于控制浪涌电流的一些方案。本文讨论了热插拔控制器的特性和趋势，并提供了电路板布局和MOSFET选择的技巧。

热插拔控制器IC可防止需要在需要将线卡插入带电背板的应用中发生损坏和操作故障。

当线卡插入带电背板时，卡的放电电源滤波电容呈现低阻抗，需要大的突然“浪涌”电流。这种突然的高负载会导致背板的电源崩溃。参见图 1a。

热插拔控制器位于背板或可拆卸卡中，在首次插入卡时提供浪涌电流限制，并在卡运行时提供短路保护。

图 1a.插入通电背板的印刷电路板通常会消耗过多的电流，并在背板的电源上产生尖峰。由于当电路板插入背板时，印刷电路板的旁路电容器几乎总是放电，因此在这种情况下会消耗大量电流。

图1b显示了热插拔控制器如何通过缓慢降低N沟道MOSFET的导通电阻来限制浪涌电流。当电路板首次插入时，控制器会缓慢增强 MOSFET，允许 MOSFET 漏极处的电压从零伏上升（对于由负电源供电的印刷电路板，则从零伏下降）。从零伏控制这种上升（或下降）的两种方案是常见的。

图 1b.在 PC 板上增加一个热插拔控制器，通过控制施加到旁路电容器的电压的压摆率来限制浪涌电流。

一种方案利用了通过电容器的电流等于C dV/dt的事实。控制压摆率（即dV/dt）可控制流入旁路电容器的电流量。虽然这种方法很容易实现（它要求IC内的恒流源馈入MOSFET的栅极，并且MOSFET的栅源电容值是已知的），但它确实有一个缺点：它依赖于旁路电容C的值。鉴于电解电容器的容差范围为+20%至-60%，因此该技术在某些情况下无法提供足够的精度。电容器的容差以及馈入MOSFET的电流源的容差可能使得有必要将电流提高到比预期更慢的速度，以确保它不会变得过大。这种方法通常需要在MOSFET的栅极和源极上连接一个额外的RC网络。RC网络的大小必须适合旁路电容，并且当旁路电容发生变化时必须调整其大小。

更精确的方法是直接控制浪涌电流，方法是检测检测电阻两端的电流并相应地控制栅极。旁路电容的值在决定流过它的电流量方面并不重要，并且该方法对MOSFET栅源电容不敏感，因此不需要外部RC网络。它确实需要更复杂的反馈系统，但热插拔IC已经集成了复杂性。

某些热插拔控制器提供的电路允许您选择任一技术来控制浪涌电流。

热插拔控制器中的功能

热插拔控制器配备了多种功能。例如，许多控制器在存在某些条件时保持MOSFET关闭。其中两种情况包括电源电压低于控制器的欠压锁定电平，以及控制器内的芯片温度高于特定温度阈值。第一个特性是欠压锁定，可保护 MOSFET 免受栅极驱动电压不足的影响。第二个特性是检测控制器的管芯温度，也可以保护MOSFET，但前提是控制器与其保持良好的热接触。此功能可防止 MOSFET 在其温度过热时工作。

一旦热插拔控制器将电路板安全地连接到带电背板，它们在大多数情况下会在电路板从背板电源吸收过多电流时提供短路保护。在短路或长时间毛刺期间MOSFET断开后，控制器可能会将其锁存在此开路状态，并要求发出命令以将电源重新连接到卡。或者，如果满足上一段所述的初始条件，它可能会自动尝试将电路板重新连接到电源。

某些控制器上的电流限制可以编程，允许 MOSFET 在线卡吸收高于特定电平的电流时打开。此外，某些控制器可以检测两种不同类型的高电流情况：大幅度快速事件（短路）和小幅度慢速事件（毛刺）。在这里，控制器可以在检测到短路时快速采取行动以打开MOSFET。但它也可以忽略瞬时低幅度毛刺，直到遇到延长的过流毛刺，此时它会缓慢打开MOSFET。

这些控制器中的其他功能也是可编程的。某些器件允许您改变启动期间控制浪涌电流的压摆率。其他允许你改变欠压锁定电平。还有一些功能允许您对过压保护进行编程 - 该功能可检测电源电压何时上升到安全水平以上，并在发生时关闭MOSFET。

热插拔控制器功能的趋势

最新的控制器改变了用于检测大电流条件的两级方案。现在可以在260ns内做出短路响应。但与此同时，这些电路的抗噪性得到了提高;它们可以在打开 MOSFET 之前容忍长达 3ms 持续时间的毛刺。此外，关闭MOSFET所需的毛刺持续时间与毛刺水平成比例变化;低幅度毛刺必须持续 3ms 才能打开 MOSFET，而高幅度毛刺需要按比例缩短持续时间。

由于热插拔控制器现在监控低至1V的电压，因此检测电阻两端的压降变得更加重要。电压的精度当然会随着检测电阻两端的压降而提高。典型控制器检测短路情况，检测电阻两端压降50mV。目前有压降低至25mV的器件可用。

为了减少元件数量，一些控制器现在取消了检测电阻。它们监视 MOSFET 漏极和源极两端的压降，而不是检流电阻器上的压降，以确定流入线卡的电流量。图2显示了一个控制器，该控制器在监视通常为电信线卡供电的-48V电源时使用此技术。

图2.大多数热插拔控制器上的检流电阻可以通过监测MOSFET的漏源电压来代替。此处所示的控制器在监视通常为电信线卡供电的 -48V 电池时使用此技术。

如今，许多热插拔控制器不再监控单个电压，而是同时监控两个、三个或四个电压。包含子卡（其存在会改变线卡功能）的线卡构成了这种趋势的一个示例。这些热插拔子卡通常由两个低压电源供电，这两个电源都由热插拔控制器监控;1.8V和2.5V电源是常见的。

这些控制器占用的电路板面积现在是一个更大的问题，因为它们所在的 PC 板已经变得更加密集地填充了组件。此外，控制器的高度已成为一个问题，因为如今越来越多的电路板被安置在同一个标准尺寸的机架中。刀片服务器就是一个很好的例子：每个线卡都充当一种服务器，其中许多是必需的。

有关使用热插拔控制器的提示

热插拔控制器的布局非常重要，因为短走线可以快速响应短路和毛刺。此外，最大化大电流走线尺寸以降低寄生电感的影响也很重要。实现这些布局限制的两个技巧：将控制器靠近线卡边缘放置，并使用接地层以最小化阻抗和电感。当使用检测电阻时，其引线也应具有最小长度以及开尔文连接，以确保精确的电流检测。

当输出短路时，MOSFET 两端的压降变大。因此，开关两端的功耗会增加，芯片温度也会增加。在表面贴装封装上实现良好功耗的一种有效方法是在电路板两侧的MOSFET封装正下方布置两个铜焊盘。然后，您可以通过过孔将两个焊盘连接到接地层，并在电路板的顶部使用扩大的铜安装焊盘。

如上所述，如果热插拔控制器检测到自己的管芯温度，请确保将 MOSFET 安装在靠近控制器的位置，以便控制器可以检测到过高的 MOSFET 温度。

在大多数情况下，热插拔控制器制造商会列出一个或多个与特定控制器配合良好的MOSFET。选择您自己的MOSFET时，请根据应用的当前电平进行选择。MOSFET 的导通电阻 （RDS（ON））应选择足够低的压降，以在满载时具有最小的压降，以限制MOSFET的功耗。如果电路板具有脉冲负载或在满负载时触发外部欠压复位监视器，则高导通电阻会导致输出纹波。根据特定控制器可能经历的最坏情况选择 MOSFET 的额定功率。在高电流条件下闭锁 MOSFET 的控制器通常可以使用具有较高导通电阻和较低额定功率的 MOSFET，因为 MOSFET 通常可以承受耗散高于额定封装额定值的单脉冲。

审核编辑：郭婷