浪涌電流控制的“拼湊”方案

有幾種已知的峰值浪涌電流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法則僅僅是降低了熱插拔對系統的影響。下面對介紹了幾種拼湊式的實施方案。

 

預充電引腳或“早供電”(例如：電阻法)

一種控制浪涌電流的方法是使用“交錯式引腳”，也稱為“早供電引腳”、“預充電壓”或者是“預先加載”引腳。從物理架構上引入交錯引腳，從而使新板卡正確插入，這種連接方式曾經風靡一時。熱插拔過程中，通過串聯電阻控制浪涌電流。

預充引腳法是一種最基本的熱插拔控制方案，通過一長、一短兩個電源引腳組成，如圖4所示。長電源引腳首先接觸到電源并通過一個串聯電阻R_PRECHARGE開始為新板卡的濾波、旁路電容充電。R_PRECHARGE限制充電電流。板卡將要完全插入時，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長電源引腳的電阻R_PRECHARGE，為板卡供電提供一個低阻通道。信號引腳通常在插入板卡的最后時刻接入。


圖4. 智能連接器提供有效的熱插拔保護

該方案中，電阻R_PRECHARGE是保護器件，把浪涌電流限制在不至于燒壞引腳或干擾相鄰板卡工作的水平。有些工程師還會在此架構中對地增添一個電感和/或二極管。

本文將預充引腳法當作一種“拼湊式”方案的主要原因是其不能控制濾波電容的充電速率。這種架構需要考慮兩個關鍵因素：短引腳相對于長引腳的線長，板卡插入系統的快、慢。另外，這是一種機械方案，考慮到連接器的機械容差，完全相同的引腳長度并不能確保接觸時間精確相同。實際應用中用戶會看到上述不同變數。而且，當短電源引腳略長、PCB被快速插入背板時，R_PRECHARGE將在輸入電容充滿電之前被短路，因此，這種看似可靠的方案實際存在一定隱患，不能可靠控制浪涌電流。

該架構的另一個關鍵設計步驟是選擇R_PRECHARGE，如果電阻選擇不合理，將會直接影響系統工作。預充電阻的選擇必須權衡預充電流和浪涌電流。

最后，交錯式引腳方案需要一個特殊的連接器，這在行業中也是難以接受的。

從上述討論可以看出，預充引腳架構的作用非常有限，也很難達到精確可靠的水準。它對于啟動過程中的電流控制毫無價值，也不具備輸出過壓(OV)和欠壓(UV)監測功能。
 

熱敏電阻(電流-時間特性)法

另一種熱插拔實施方案是熱敏電阻熱插拔控制法。熱敏電阻為電子元件，阻值在溫度變化時將發生顯著變化(電阻是溫度的函數)。根據溫度變化進行系統調節的電路應用非常普遍。負溫度系數(NTC)熱敏電阻的電流-時間特性取決于其溫度特性，在其應用電路中的功率耗散很穩定。電流-時間特性可以抑制短暫的高壓尖峰以及初始浪涌電流。圖5所示為基于熱敏電阻的熱插拔限流電路，配合一個外部MOSFET使用¹。


圖5. 基于熱敏電阻的熱插拔電路¹

采用熱敏電阻方案時，需要考慮作用在熱敏電阻上的瞬態峰值功率。設計人員必須考慮電路板環境溫度的變化(覆銅面積和氣流)以及熱敏電阻自身的因素，如果超出其額定電流和/或電壓，則會導致器件損壞。

對于熱敏電阻方案需要考慮幾個因素，例如，在電信系統中，一旦系統交付運營商使用，將不允許更改或重新設計板卡。由此，熱敏電阻可能會引發長期可靠性問題，設計人員必須考慮負溫度系數(NTC)的反作用時間。另外一個關鍵問題是，當板卡反復插入或拔出背板時，熱敏電阻可能沒有足夠的時間冷卻，從而在隨后的帶電插入事件中不能有效地限制浪涌電流。最后，熱敏電阻的特性參數會隨時間變化，這將導致系統的抗沖擊能力下降。

總而言之，該方案在需要根據溫度變化進行調整的系統中能夠提供良好特性(例如，LCD偏置電源)，限制浪涌電流。但是，基于熱敏電阻的熱插拔控制器不能滿足系統長期可靠性的需求。
 

分離式熱插拔電路

實現浪涌電流控制的另一渠道是利用幾個分離元件(顯然，多數工程師不會考慮拼湊式方案)。通常，利用分離電路配合獨立的MOSFET、功率檢測電阻及其它偏置元件實現故障保護、斷路器和電流控制功能。分離式熱插拔電路設計非常復雜，而且很難調試(增加了設計和研發時間)，而且成本較高、占用較大的PCB面積。

重要的是，分離方案中，無源元件的寄生參數會對熱插拔電路造成較大影響。設計人員必須嚴格控制這些因素。電路中，利用電阻和電容控制電源的上升和下降時間、電流與電流及其它檢測條件。系統設計人員必須嚴格關注寄生參數對電路工作狀況的影響。

討論了上述三種拼湊式熱插拔方案后，我們還有更好的選擇。事實上，最好的解決方案是采用完全集成的單芯片熱插拔控制器，下一節將討論業內最具創新的熱插拔方案，包括MAX5961熱插拔控制器。
 

浪涌峰值電流控制

更高集成度

利用一個電路限制插入板卡的浪涌電流、提供過流和負載瞬變保護、降低系統失效點，工程師可以嚴格控制熱插拔保護板卡的長期可靠性。市場上可以找到高度集成的熱插拔控制IC，有些控制器IC不需要外接檢流電阻。許多IC可以簡單、高效地實現熱插拔保護功能，例如，在單一芯片內支持下列功能：UV和OV保護；過載時利用恒流源實現有源電流限制；電源電壓跌落之前斷開故障負載；利用外部驅動FET構成“理想二極管”提供反向電流保護；多電壓排序；發生負載故障后自動重試。

幾家模擬半導體公司已經推出了各種方案，滿足不同系統的需求。新一代熱插拔IC集成了全面的模擬和數字功能，例如：板卡插入并完全上電后，可連續監測電源電流。連續監測功能可以在板卡正常工作期間繼續提供短路和過流保護，還可以幫助識別故障板卡，在系統完全失效或意外關閉之前撤掉故障板卡。
 

集成ADC的重要性

Maxim、Analog Devices和Linear Technology®均可提供熱插拔方案，器件內部提供數字故障和統計數據記錄。近期出現的一個新名詞是“數字熱插拔”IC，代表集成了電壓和電流監測ADC的熱插拔方案。表1給出了不同供應商所提供的熱插拔IC的性能比較，表中未列出MAX5967，該器件的引腳和功能完全兼容于LTC4215。
表1. 數字熱插拔控制IC對比

• 信息采集：設計人員可以根據當前收集的系統關鍵數據構建下一代系統，優化效率。
• 連續監控：對于這些需要始終保持運轉狀態的系統，正常工作期間可能需要連續監測其供電電源的溫度，以記錄一些對應于功率等級的“關鍵統計數據”。這些數據有助于在今后對一些故障狀況進行預測。
• 功率預算：通過讀取以往或當前故障條件的數據，可以判斷是否出現嵌入式板卡的功耗超出了其總功率預算的份額。這種監測對于早期識別不正常的工作條件、減緩甚至消除對系統其余電路的影響很有幫助。

通過I²C連接系統微處理器

板卡微處理器可以通過熱插拔控制器的I²C接口采集一些關鍵的統計數據。通過該接口可以配置熱插拔控制器的工作模式，工作在閉鎖或連續重試狀態；系統管理固件可以據此識別板卡的問題。該接口也是主板向維護人員發出報警信號的渠道，其作用與汽車儀表盤上的引擎故障指示燈類似。
 

結論

熱插拔控制器對于那些始終保持運行狀態的系統是不可或缺的保護電路。發生帶電插拔事件后，跟蹤浪涌電流引起的PCB故障也是非常棘手的設計任務。利用那些拼湊起來的熱插拔方案解決故障問題或者只是很好地解決了其中部分問題，對于系統的長期穩定性而言存在一定隱患，也是工程師無法預測的。

目前，高度集成的熱插拔方案能夠確保系統在帶電插拔的操作中不會引起數據傳輸錯誤或導致系統已插入板卡的復位。這種方案對于保持系統的長期可靠性很有幫助，能夠滿足、甚至優于“5個9”的設計目標。