丁強

UT斯達康通訊有限公司

1 熱插拔概述

在今天的電子系統(tǒng)中，熱插拔能力已成為普遍的一個特性。當模塊或者電纜插入到一個主系統(tǒng)或者背板時，它的作用首先是不中斷系統(tǒng)的電源，并且要不影響系統(tǒng)中正在傳送的信號和正在執(zhí)行的操作。目標系統(tǒng)的范圍從小型消費電子設(shè)備如筆記本電腦的外設(shè)、數(shù)碼相機和PDA一直到運營商級和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模的設(shè)備。在通信和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等領(lǐng)域熱插拔能力早就成為必須具備的特性。為了滿足高可用性和可維護性的要求，熱插拔能力在這些系統(tǒng)中已經(jīng)使用了多年。

在一個系統(tǒng)里面，當一塊板卡插入機框時，板卡上的大電容會從系統(tǒng)中抽取巨大的瞬間電流。如果沒有某種形式的浪涌電流限制，這些電流可以高達幾百安培，尤其在電壓較高的系統(tǒng)。這樣大的瞬變會損壞連接器針腳，印刷電路板線路，可插拔組件。此外，電流尖峰會引起電源總線的電壓跌落，造成其它板卡復(fù)位。

2 TPS2309/1的工作原理

TPS2390和TPS2391是一種熱插拔電源管理器(HSPM)，可以把這些尖峰限制在預(yù)先設(shè)置的水平，以及控制電流變化率(di/dt)在某個設(shè)定值。這些器件使用一個外部的N溝道FET和檢測元件提供負載電流的閉環(huán)控制。輸入電源欠壓鎖定(UVLO)保護允許熱插拔電路根據(jù)電源狀態(tài)自動開啟，或通過EN輸入端來控制。外部電容可以控制電流上升斜率和負載電壓上升超時時間。此外，對于板卡上電之后發(fā)生的短路故障由芯片內(nèi)部的過載比較器提供斷路保護。

TPS2390和TPS2391直接從輸入電源(標稱電壓-48VDC)取電工作。-VIN引腳連接到負電壓源，RTN引腳連接到電源回路。內(nèi)部穩(wěn)壓器把輸入電壓轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部電路所需的電壓。輸入欠壓檢測電路將保持GATE輸出低電平直到電源電壓達到標稱的30V。第二個比較器監(jiān)察EN輸入腳，該引腳必須被拉到1.4V的開啟閾值以上才能打開電源供給負載。

使能后當輸入電壓高于欠壓鎖定(UVLO)門限，GATE端的下拉被解除，線性控制放大器(LCA)啟用，位于斜率控制模塊的大型放電器被關(guān)閉。隨后，一個小電流源開始給IRAMP引腳上的外部電容充電。IRAMP引腳上將形成一個線性電壓斜坡。電容器上的電壓斜坡實際上分為兩個獨立的斜坡。如圖1所示，充電電流分別來自兩個電流源。在開啟的最初階段600-nA的電流源被選中，由其提供一個緩慢的開啟速率。這個緩慢的開啟可以確保LCA脫離飽和狀態(tài)，并在正常速率充電前提升正相輸入端的電壓。這種機制有助于減少在開啟過程中電流的階越。一旦IRAMP引腳處的電壓達到約0.5V時，一個內(nèi)部比較器拉高SLOW信號，從而10μA的電流源被選中用于之后的開啟緩沖過程。

圖1

IRAMP引腳的電壓除以100后施加到LCA的正相輸入端。ISENS引腳的電壓包含負載電流大小的信息施加到反相輸入端，這個電壓來自于連接在ISENS和-VIN管腳之間的電流檢測電阻。LCA驅(qū)動外部主回路FET的柵極，迫使ISENS引腳的電壓跟隨IRAMP引腳電壓的分壓變化。因此，負載電流的變化速率會跟隨IRAMP引腳的線性斜坡電壓，形成一個線性變化速率(di/dt)的負載電流。IRAMP電容會被一直充電到約6.5 V，但是LCA的輸入會被鉗位在40mV。因此，開啟過程中對負載的最大充電電流被限制在IMAX≤40mV/RSENSE，RSENSE為檢測電阻的值。

在控制器控制下的負載電流，以一種安全的方式給負載模塊的大容量輸入電容充電。在正常情況下，這個電容最終充電到直流輸入電壓。此時，負載的需求下降，在ISENS引腳的電壓降低。LCA立即驅(qū)動GATE引腳到內(nèi)部電源電壓。14-V典型的輸出電平確保足夠的過驅(qū)動使外部FET完全打開，同時不超過典型的20-V這個常見N通道功率FET的VGS額定值。

故障定時器的定時是通過連接在FLTTIME和-VIN引腳之間的一個電容實現(xiàn)，從而允許用戶設(shè)定超時時間。只要熱插拔控制器在前面提到的電流控制模式下，LCA輸出過流指示(OC)，如圖1所示。過流故障定時器在IRAMP波形的慢速開啟部分是被抑制的。然而，一旦器件狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常電流斜率(VO(IRAMP)≥0.5 V)，外部電容開始由50μA電流源充電，在FLTTIME引腳產(chǎn)生斜坡電壓。如果該電壓達到4-V的故障閾值，故障狀態(tài)被鎖定，OD門被打開輸出外部故障告警信號。故障定時電容停止充電，并開始放電。此外，鎖定的故障狀態(tài)導(dǎo)致IRAMP電容快速放電。在這種方式下緩啟動功能得到復(fù)位，并準備在條件允許的情況下再次使能輸出。

一旦故障狀態(tài)超時發(fā)生，TPS2390將因故障而閉鎖，放電信號(DCHG)打開一個大的NMOS器件迅速泄放外部電容的電荷，使器件復(fù)位時定時器同時復(fù)位。TPS2390只能通過上下電或切換EN輸入才能重新工作。

在故障狀態(tài)鎖定發(fā)生后，TPS2391進入故障重啟模式，周期性的重啟負載以測試故障是否持續(xù)存在。在這種模式下，F(xiàn)LTTIME電容由一個約0.4-μA恒流源慢慢地泄放。當FLTTIME引腳上的電壓跌落到低于0.5 V時，LCA和緩啟動控制電路被重新使能，然后正常導(dǎo)通的電流斜坡隨之而來。再次，在負載充電過程中OC信號導(dǎo)致的FLTTIME電容充電，直到下一個延遲周期過后。FLTTIME電容連續(xù)的充電和放電形成一個典型值為1%的重啟占空比。如果故障消退(GATE引腳驅(qū)動高電平輸出)，定時電容迅速放電，占空比操作停止，故障狀態(tài)鎖定復(fù)位。

需要注意的是，因為故障定時器在最初的慢速斜坡期間是被抑制的，所以實際上占空比略大于1%的標稱值。然而，在這段時間里峰值電流只有最高限額的八分之一左右。正常斜坡和恒定電流期間的占空比約是1%。

定時器模塊內(nèi)的故障邏輯自動管理電容的充電和放電速率(DCHG信號)，以及使能GATE引腳的輸出(ON信號)。對于TPS2391，故障告警在重啟模式期間連續(xù)輸出，直到故障狀態(tài)被清除為止。

這兩個熱插拔控制器包含一個監(jiān)控ISENS引腳電壓的過載比較器。如果檢測到Sense電壓超過了100mV則故障定時器被旁路，故障狀態(tài)被立即鎖定，LCA被禁用，F(xiàn)ET的柵極被迅速下拉。定時器模塊有一個4-μs的尖峰脈沖過濾器，以幫助減少雜波干擾導(dǎo)致的OL信號輸出。正如過流(OC)故障，TPS2390輸出因鎖定而關(guān)閉。對于TPS2391，過載(OL)故障導(dǎo)致定時器電容充電，啟動故障重啟定時。

3 TPS2309/1應(yīng)用要點

圖2

實際的電路組成如圖2所示。如果需要兩個或多個FET并聯(lián)使用，每個FET的柵極都要分別串上10Ω左右的電阻與GATE引腳相連，并使每個FET的布線和其它參數(shù)保持一致以避免電路振蕩。

由于內(nèi)部LCA的限流作用，通過選擇適當?shù)臋z測電阻值可以很容易的設(shè)定所允許的最大負載電流。最大檢測電阻值RSENSE可以用下面公式確定。

其中：

RSENSE是檢測電阻值，單位為Ω。

IMAX是期望的最大電流限值，單位為A。

啟動時斜坡電流的控制由CIRAMP的選擇來實現(xiàn)。CIRAMP可以用下面公式確定，單位為μF。

其中：

RSENSE是檢測電阻值，單位為Ω。

(di/dt)MAX是期望的最大電流變化率，單位為A/s。

故障定時器的超時時間由CFLTTIM來設(shè)定。超時時間內(nèi)允許系統(tǒng)有運行中可能產(chǎn)生的雜散電流毛刺和浪涌，防止一些不確定的原因引起保護電路誤動作。CFLTTIM可以用下面公式確定，單位為F。

其中：

IFLTTIM是充電電流(50 μA)。

t(max)是期望的最大超時時間，單位為s。

VCFLTTIM是標稱電壓4V。

功率FET的選擇不僅要考慮正常啟動時的情況，還要考慮到故障狀態(tài)下的情況，要按最壞情況選擇器件。根據(jù)前面確定的最大工作電流、最高工作電壓、故障定時器的超時時間和工作環(huán)境溫度，對應(yīng)FET的安全工作曲線（SOA）尋找合適的FET。

4 結(jié)束語

這個由TPS2390/1作為控制器的熱插拔電路經(jīng)實際應(yīng)用和測試符合設(shè)計預(yù)期，對受此電路保護的板卡在運行的系統(tǒng)中進行插拔時，不會影響其他板卡和設(shè)備的正常運行。模擬板卡損壞時，也可以保證系統(tǒng)中的其他板卡不受影響保持正常工作狀態(tài)。

[1]TPS2390/TPS2391 Simple -48-V Hot Swap Controller Datasheet (SLUS471D), Texas Instruments Incorporated, January 2008

[2]Performance Comparison of Integrated Circuit Controllers for Hot Swap in Telecom Systems, Andrew Ripanti, July 2003