熱插拔的工作原理、使用目的和應(yīng)用

熱插拔如何工作
熱插拔(HotSwap，HotPlug，HotDock)是指在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，將模塊、卡或連接器插入系統(tǒng)。
圖1所示為熱插拔過(guò)程，左側(cè)代表系統(tǒng)及其電源，電源輸出端有一個(gè)電容，右側(cè)有兩張卡，這些卡的輸入端也有電容。在將卡插入系統(tǒng)之前，輸入電容沒(méi)有充電；當(dāng)卡插入系統(tǒng)時(shí)，會(huì)有很大的瞬時(shí)電流給輸入電容充電。如此大的瞬時(shí)電流可能導(dǎo)致系統(tǒng)電源電壓異常。熱插拔的目的是將高瞬時(shí)電流控制在相對(duì)較低的合理水平。實(shí)現(xiàn)的方法有幾種，其中PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是最簡(jiǎn)單的方法。PTC依靠自身的電流發(fā)熱來(lái)改變阻抗，從而降低瞬時(shí)電流的幅度。其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，長(zhǎng)期使用會(huì)影響使用壽命。在MOS管的電流檢測(cè)電阻上增加一些簡(jiǎn)單的阻容延遲電路的方法成本低，適合低端應(yīng)用。最好的方法是使用熱插拔芯片，通常包括驅(qū)動(dòng)MOS設(shè)計(jì)和電流檢測(cè)電阻。除了基本熱插拔外，它還可以提供特殊功能，如控制電流上升速率、斷開(kāi)電路、管理電源和報(bào)告狀態(tài)，從而改善系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
熱插拔是通過(guò)在電源和負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體管和一個(gè)電流檢測(cè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如如圖2所示。電流檢測(cè)電阻的作用是將流經(jīng)MOS管的信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娐?，控制電路再根?jù)電流設(shè)定和定時(shí)電路控制MOS管的導(dǎo)通。
接下來(lái)以UCC3915為例說(shuō)明熱插拔過(guò)程中的輸出電流和電壓。在圖3中，左邊的圖是UCC3915的輸出電流、輸出電壓和瞬時(shí)電容電壓的波形?？梢钥闯?，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，計(jì)時(shí)開(kāi)始；如果輸出電流超過(guò)ITRIP，上升到IMAX(設(shè)定的最大值)，由于MOS晶體管工作在線性模式，最大輸出電流被限制在這個(gè)水平，所以輸出電流會(huì)被限制在IMAX。另一方面，如果定時(shí)電容的電壓達(dá)到1.5V，MOS晶體管就會(huì)關(guān)斷，輸出電流下降到0。MOS管斷開(kāi)后，電容會(huì)放電到0.5V，然后MOS管重啟，電流開(kāi)始上升。如果輸出電流仍然很高，輸出電流將被限制在IMAX。定時(shí)后電路會(huì)切斷MOS管，電路始終按照這個(gè)原理工作。右圖有兩組電壓電流波形，一組是不帶熱插拔的電壓電流波形，另一組是帶熱插拔的電壓電流波形。不加熱插拔功能時(shí)，瞬時(shí)電流幅值很大，高瞬時(shí)電流幅值導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降1V左右；加熱插拔時(shí)，這時(shí)電流被限制在一個(gè)低電平，對(duì)系統(tǒng)電壓影響不大，從而達(dá)到熱插拔的目的。向系統(tǒng)添加熱插拔的好處包括：
1)在系統(tǒng)通電時(shí)移除損壞的模塊，并在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，在系統(tǒng)通電時(shí)更新或擴(kuò)展該模塊；
2)由于熱插拔部件的可靠性提高，所以也可以作為斷路器使用。而且由于熱插拔部件可以自動(dòng)恢復(fù)，很多熱插拔芯片為系統(tǒng)提供線路電源的信號(hào)進(jìn)行故障分析，降低了成本。
熱插拔非常適合高可靠性系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)、服務(wù)器電源系統(tǒng)等。也可用于存儲(chǔ)設(shè)備的供電，因此這些設(shè)備需要在系統(tǒng)斷電時(shí)更換或更新。熱插拔也適用于體積小但可靠性要求高的電力系統(tǒng)，包括一些主要規(guī)格，如PCI、PCIe、USB、1394等。所以被廣泛使用。
德州儀器的熱插拔管理芯片
選擇熱插拔芯片時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：
1)熱插拔管理芯片的工作電壓范圍為48V、-48V或12V及限流范圍內(nèi)的低電壓；
2)保護(hù)模式，可以選擇自動(dòng)恢復(fù)或鎖定保護(hù)模式
3)起斷路器作用的定時(shí)電路；
4)其他工況下的性能，如負(fù)載短路時(shí)的高速響應(yīng)，負(fù)載增大時(shí)不損壞外圍設(shè)備。在熱插拔啟動(dòng)的瞬間，可以控制電流上升速率，從而降低噪音和震動(dòng)水平；
5)功耗5)MOS管或電流檢測(cè)電阻等。
TI推出了很多熱插拔產(chǎn)品，很多產(chǎn)品增加了特殊功能，提高熱插拔的工作功率，可以讓熱插拔MOS管在安全區(qū)域工作，從而提高產(chǎn)品可靠性，降低成本。另一個(gè)功能是di/dt，可以降低噪聲和對(duì)電路部件的影響。TI的熱插拔產(chǎn)品主要分為兩類：用于48V、-48V或24V應(yīng)用的高壓熱插拔產(chǎn)品；適用于3V至15V應(yīng)用的低壓熱插拔產(chǎn)品。
對(duì)于高壓熱插拔產(chǎn)品，可以分為兩類：48V產(chǎn)品和？48V產(chǎn)品，如圖展示4。48V產(chǎn)品有TPS2490和2491。該產(chǎn)品的工作電壓范圍從9V到80V，它包含了一個(gè)獨(dú)特的功能，稱為恒功率設(shè)置。48V熱插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398、99，本系列針對(duì)簡(jiǎn)單的熱插拔應(yīng)用，工作電壓范圍從？36到？80V，是8引腳封裝。第二個(gè)？48V熱插拔是TPS2392和TPS2393，功能全？48V熱插拔產(chǎn)品具有TPS2390系列的所有功能，還包含欠壓和過(guò)壓設(shè)置，為連接器測(cè)試提供兩個(gè)引腳。其中，定功率是TI獨(dú)有的技術(shù)。圖5比較了定功速率限制與一般線性電流模擬電路。左圖為一般線性電流模擬電路的曲線，MOS管的電流與VDS呈線性關(guān)系；右圖是定功速率曲線，從圖中公式可以看出，電流與VDS是非線性的。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，如果沒(méi)有定功速率限制，圖6左上角的輸出電流迅速上升，輸出電壓下降，流經(jīng)MOS晶體管的功率很可能漂移出SOR如果加上定功限速功能，左下角電壓電流波形中的電流迅速上升，對(duì)輸入電容充電后迅速下降，同時(shí)MOS管的工作點(diǎn)始終保持在SOR以內(nèi)。因此，只要設(shè)置好定功速率限制，就可以忽略負(fù)載的變化，節(jié)省MOS管的成本。負(fù)載短路時(shí)，如果沒(méi)有定功速率限制，電流會(huì)過(guò)沖超過(guò)70A，15微秒后恢復(fù)到設(shè)定的最大電流5A，因此大電流幅值很可能損壞線路周圍的部件；增加功率限制功能后，電流上升幅度小，只有20A，1微秒后可以降低到設(shè)定的最大電流5A。對(duì)于1微秒20A的脈沖，MOS管完全工作在安全工作區(qū)。
-48V的一些熱插拔產(chǎn)品有TPS2390，TPS  2391，TPS  2398，TPS  2399。這些芯片只有8個(gè)引腳，工作電壓范圍在-36到-80V。從應(yīng)用線來(lái)看，他們的應(yīng)用很簡(jiǎn)單，基本上只需要考慮最大電流設(shè)置，然后定時(shí)電路和TI獨(dú)特的設(shè)計(jì)功能叫做電流上升率。在TI的控制芯片中，很多熱插拔產(chǎn)品都有一個(gè)叫RAMP的引腳來(lái)設(shè)置電流上升速率，通常用一個(gè)電容來(lái)設(shè)置電流上升斜率。
許多控制器設(shè)計(jì)有電壓上升斜率控制。熱插拔控制器啟動(dòng)時(shí)，輸出電壓上升緩慢，但輸出電流上升迅速，輸出電流的上升幅度根據(jù)不同的容性負(fù)載而變化。如果負(fù)載電容比較大，電流脈沖幅度比較大，那么這樣大的脈沖電流也會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。TPS239X系列采用電流上升斜率的導(dǎo)通方式。啟動(dòng)時(shí)，輸出電流的上升斜率可以由RAMP電容設(shè)置。斜坡電容越大，上升斜率越慢，從而降低系統(tǒng)噪聲和沖擊的影響。
TI的低壓熱插拔產(chǎn)品分為內(nèi)置MOS管產(chǎn)品和外置MOS管產(chǎn)品兩類，如圖如圖7。MOS管內(nèi)置產(chǎn)品有UCC3912、UCC3915、UCC3918、TPS2420/21等。這些產(chǎn)品的最大允許電流為5安培，工作電壓范圍從0V到12V。金屬氧化物半導(dǎo)體外部熱插拔控制芯片包括單通道控制芯片和雙通道控制芯片，兩個(gè)單通道控制芯片包括TPS2330和TPS2331，雙通道控制芯片包括TPS2300系列。熱插拔可以應(yīng)用到很多場(chǎng)合。圖8列出了與不同設(shè)計(jì)應(yīng)用相匹配的熱插拔產(chǎn)品，可以根據(jù)表格選擇合適的熱插拔設(shè)備。