基于LT1641的雙路熱插拔電路設計

當插件板插入帶電的背板中使VON大于1.313V時，芯片將開始工作。由于此時容易出現較大的瞬態電流。當該電流超過電路所能承受的最大電流時，檢測 電阻RS兩端的電壓(即VCC-VSENSE)就會大于47mV，從而激活限流電路。由于80μA上拉電流源被連接到LT1641的TIMER引腳，因而在限流電路工作期間，該引腳的電壓就以77μA／CTIMER斜率上升，當VTIMER大于1.233V時，內部故障鎖存器被置位，GATE立即下拉到GND，從SENSE引腳檢測到的GATE引腳的電壓開始下降，此過程大約需要幾微秒到幾十個微秒。當芯片開始正常工作之后，GATE引腳的電壓則以10μA／C3的速度上升，由于LT1641芯片由GATE引腳來控制外部N溝道MOSFET，因此，VGATE上升將使外部N溝道MOS管IRFPS3810的VGS上升，當VGS大于UT時，MOS管導通，并最終使VOUT=VIN=48V，整個電源緩沖過程結束。如果電源供電過程中，電源不穩定或者是插件板從帶電的背板中拔出，則會使得VON小于1.233V而關閉LT1641芯片，從而使電路停止工作。 
                           
    很多大型數據系統中都會采用"背板+插件板"結構。這樣，在更換維護插件板時，通常都希望在不影響系統工作的情況下帶電插拔。電路上電或帶電插拔時，一般會產生很大的啟動電流和電壓波動，這些現象將影響設備的正常工作，甚至導致整個系統的損害。當一塊插件板插入工作背板或者從工作背板拔出時，插件板上附加電容的充放電會給工作背板提供一個低阻抗，此時背板到插件板的高涌入電流可能會燒毀連接器和電路元件，或者暫時使背板陷落以導致系統重啟。這種現象就是熱插拔現象。

    所謂熱插拔(Hot Swap)，就是允許用戶在不關閉系統或不切斷電源的情況下，取出和更換損壞的硬盤、電源或板卡等部件，換句話說，就是系統出現故障的部件能進行帶電更換。從而提高系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性。熱插拔過程一般分為三個步驟：一是物理連接過程，分插入和拔出兩種情況；二是硬件連接過程，主要指的是與系統相連的硬件層的電氣連接；三是軟件連接過程，主要指的是與系統相連的軟件層的連接。

                           
    本文主要針對某大型數據系統帶有雙路電壓結構的插件板進行熱插拔電路的設計。所討論的熱插拔概念主要是針對硬件的熱插拔，即在帶電狀態下安全地插拔電路板。其基本要求是不影響系統的運行，以便于系統的維護和重新配置。其典型應用有基站、磁盤冗余陣列(RAID)、遠程接人服務器、網絡路由器、網絡交換器以及ISDN系統等。

    1 電路設計

    某大型數據系統插件板由一路48 V工作電壓和一路3.3 V待機電壓供電。該插件板耗電高達1000 W(48V／20 A)，插件熱插拔時兩路電壓均需支持熱插拔。兩路電壓的上電要求有先后順序，48 V必須在3.3V產生之后才能輸出。插件板推入帶電背板時，3.3 V熱插拔電路首先上電。在3.3 V穩定輸出后，48V熱插拔電路開始工作。如果3.3 V熱插拔電路工作不正常，則48 V熱插拔電路將被強行關閉。

    1.1 3.3 V緩沖電路設計

    由于3.3 V電源是一個待機電源，屬于低電壓(3.3 V)、小電流(<2A)。所以在緩沖電路設計過程中，主要考慮的是控制浪涌電流，同時力求電路設計簡單實用。因此，3.3V熱插拔電路由電容C1、穩壓管D1和MOSFETU1構成。通過對連接在U1柵、源極之間的電容C1充電可達到限制浪涌電流的目的。為了避免插件板插入帶電背板時產生很大的浪涌電流。要求插件板板上的電壓應當斜坡式上升，其電壓上升過程的持續時間大約為30ms。

    本電路中的MOS管選用P溝道的IRF7410，該器件的最大工作電流ID為-16A，開啟電壓VGS(th) 最大值為0.9 V，其電路如圖1所示。

    當插件板插入背板時，熱插拔電路中的RC電路開始工作，t<0時，熱插拔電路已處于穩態，電容電壓uc(0_)為0；t=0時，開關閉合，電源VIN開始對電容進行充電。此后在初始時刻，由于uc(0+)=uc(0_)=0，電容相當于短路，其充電電流i(0+)=[VIN-uc(0+)]／R=VIN／R。之后，隨著時間t的延長，電容電壓uc(t)逐漸增大，充電電流隨之減小。當t→∞時，uc(∞)=VIN，充電電流i(∞)=0，此時電容如同開路，充電停止，電路進入穩態。根據KVL及元件的伏安關系，可得出換路后電路的方程為：

    1.2 48 V熱插拔電路設計

    48V熱插拔電路因為其電壓高、電流較大，所以，要求具具有更高的可靠性和可維護性，此時，上述普通的熱插拔電路已經不能滿足該電路的設計需要。而現在流行的各種熱插拔控制器可在極小的封裝內提供多種功能(如具有可編程設置的電流檢測門限、反饋限流、短路保護、過壓保護、欠壓鎖定等)，正好滿足該電路設計的需要。因此，48V熱插拔電路可在熱插拔控制器的基礎上搭建其外圍電路。

    由于該路的電源電壓48V，工作電流為20A。結合對各種芯片的比較，本設計最終選定的熱插拔控制器是正壓熱插拔控制器LT1641。LT1641是一款完全集成的8引腳Hot Swap熱插撥正壓控制器，它允許將電路板安全的從帶電的背板中插入或拔出，而不會在背板的電源上產生脈沖干擾。它可通過控制外部的N溝道MOSFET，來使電路板的電壓按設定的速率線性增加，直至達到電源電壓。同時，該器件還具有可編程的折返式限流特性，可通過電子斷路器提供短路故障保護及限流功能。其工作電壓范圍為9～80V。 
                           
    LT1641的引腳ON可用來檢測欠壓鎖定閥值，并且在發生故障后復位器件；FB腳為電源就緒比較器輸入，從輸出端到FB再到GND應接一個電阻分壓器，以監控輸出電壓，此外，FB還可用作折返限流功能反饋；PWRGD為開漏電源就緒輸出，當VFB高于VFBH時，PWRGD為高，當VFB低于VFBL時，PWRGD為低；TIMER為定時輸入，在TIMER到GND間連接一只電容可以設定器件維持限流狀態的最長時間；GATE為外部高側N溝道MOSFET的柵極驅動；SENSE為電流檢測輸入端口，從VCC到SENSE和外部N溝道MOSFET的漏極應接一只檢測電阻。

    MOS功率管選用N溝道的IRFPS3810。該器件的最大工作電流為170 A，可承受20A的工作電流。其開啟電壓UT為5 V。當VGS為12 V時，MOS管完全導通。LT1641在48V輸入電壓下的GATE端驅動電壓(VGATE-VCC)為15.5V，也就是說，LT1641完全有能力驅動IRFPS3810。而IRF-PS3810在完全導通的狀態下的VDS約為0.15V，也就是說其導通時MOS管的內阻很小，輸出電壓基本沒有壓降。 
                           
    圖1電路中的電阻R3用于檢測電流，電容C7用于控制GATE擺率。電阻R6用于抑制Q1里的高頻振蕩，電阻R7為補償電阻，可補償電流控制環。電阻R4和R5可檢測欠壓狀態。

    1.3 雙路電壓互鎖電路設計

    3.3V電源是系統的待機電源。主要用在系統啟動前控制電路進行一些必要的初始化工作。48V電源才是系統正常工作時的供電電源。系統只有在待機狀態下才能進入工作狀態，因此需要3.3V熱插拔電路的輸出電壓正常穩定后才能啟動48V電源，它們的順序不能顛倒。由于3.3V熱插拔電路和48 V熱插拔電路的工作電壓和工作電流相差很大，因此，若將3.3 V熱插拔電路輸出直接連到48V熱插拔電路的輸入端來驅動48 V熱插拔電路工作，則3.3V供電電路將存在很大的危險性，因此，本設計需要采用隔離驅動的方式。

    選用常閉型光電耦合器AQV414S可實現3.3 V熱插拔電路對48V熱插拔電路的隔離驅動。設計時。可用3.3V熱插拔電路的輸出電壓直接驅動光耦，然后用光耦的輸出端控制LT1641的開啟／關閉，從而控制輸人腳ON。

    2 電路測試與驗證

    圖2所示是帶10 Ω負載的緩沖電路在接通時，3.3V電壓的過渡過程波形圖。圖中給出的是開關閉合時，示波器同時捕捉輸入緩沖電路的電壓波形(Ch1)及電流波形(Ch2)。而當開關合上時，由于IRF7410的作用，輸入電壓延時約100ms才開始給電容充電。此時，電路中同時產生了流人電容的充電電流和流過電阻的負載電流，它們對3.3V輸入電壓沒有影響。充電過程結束后，負載電流趨于平穩，電路很好地限制了充電電流，從而解決了之前實驗中合上開關時將產生很高的尖鋒電流的問題。

    由圖2可見，當實驗顯示當輸出電流小于5 A時，48 V熱插拔電路可以正常啟動，輸入電壓上升時間大于50ms。

    圖3為48 V熱插拔電路帶5A負載時。在起動ON信號后測試的輸入充電電流波形CH2及VGS電壓波形CH1。由圖3可見，當顯示輸出電流大于6A時，電路就不能正常啟動而處于脈動狀態。這是因為所選用的LT1641芯片的FB腳電壓VFB小于0.5V時，限流電阻上的壓降(VCC-VSENSE)只能小于12mV的緣故。而當限流電阻上的壓降大于12mV時，LT1641芯片將啟動過流保護電路，以將GATE引腳電壓下拉至零，從而關閉MOS管。可見，必須等48V輸出正常后才能將后級負載釋放。這一點可以通過給Powergood信號增加電容延時并送給后級的控制電路來實現。

    3 結束語 
                           
    本文針對兩路插件板供電電壓設計了不同的熱插拔電路并實現了兩路互鎖。該方法既滿足了系統可靠性和可維護性等方面的要求。同時又降低了成本。本文所設計的電路已經在實際系統中投入使用，其實用性和穩定性已經通過系統驗證