使用熱插拔控制器增強系統(tǒng)可靠性

作者：Karl Audison Cabas，產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)工程師

Ralph Clarenz Matocinos，產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)助理工程師

Christian Cruz，產(chǎn)品應(yīng)用高級工程師

摘要

本文探討了在系統(tǒng)級應(yīng)用中實施熱插拔控制器的優(yōu)勢和好處。熱插拔控制器提供了一種先進的解決方案，可無縫插入和拔出電子設(shè)備，確保持續(xù)運行、防止過流并進行實時監(jiān)測。通過提供參考設(shè)計，用戶可以更好地了解關(guān)鍵功能，從而增強這些功能的相關(guān)性和重要性。本文重點介紹熱插拔控制器如何提高系統(tǒng)可靠性、最大限度地減少停機時間并保護敏感設(shè)備，最終優(yōu)化系統(tǒng)性能并降低維護成本。

簡介

在電子產(chǎn)品中，在不中斷系統(tǒng)運行的情況下安全地插入和拔出電源模塊的能力至關(guān)重要。眾所周知，熱插拔1已成為從數(shù)據(jù)中心到電信系統(tǒng)等許多應(yīng)用的基本功能。為了確保系統(tǒng)在這些操作期間的安全性和完整性，需要專門的控制器。ADI公司的LTC4287在這類產(chǎn)品中具有明顯優(yōu)勢。本文深入探討了這款熱插拔控制器在系統(tǒng)級應(yīng)用中的性能、特性、益處和優(yōu)勢。

LTC4287：強大的熱插拔控制器

LTC4287是一款多功能的高性能熱插拔控制器，專為在系統(tǒng)實時添加或更換期間保護系統(tǒng)和插入的組件而設(shè)計。憑借全面的功能和強大的性能，LTC4287成為了許多關(guān)鍵應(yīng)用中的重要組成部分。

熱插拔要點

熱插拔涉及在系統(tǒng)運行時插入或拔出組件（例如卡、電源或驅(qū)動器）的行為。這個過程充滿挑戰(zhàn)，因為需要處理供電軌并確保電壓水平保持在安全范圍內(nèi)。熱插拔控制器通過提供以下主要功能，出色地解決了這些挑戰(zhàn)：

使用RC熱電路實現(xiàn)精確限流

熱插拔可提供精確限流，在熱插拔應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此功能可確保插入的組件所消耗的電流保持在安全范圍內(nèi)。一旦突發(fā)大沖擊電流或故障情況，控制器會迅速做出反應(yīng)，保護系統(tǒng)免受過流事件的影響。用戶可以選擇使用RC熱電路，該電路模擬MOSFET從節(jié)到印刷電路板(PCB)的熱傳導(dǎo)，從而進一步提高限流的準確性。

故障檢測與保護

在熱插拔場景中，可能由于未對準、組件損壞或其他因素而出現(xiàn)故障。熱插拔控制器配備全面的故障檢測機制，包括欠壓和過壓保護。它會持續(xù)監(jiān)測輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓水平，立即采取行動隔離故障并保護系統(tǒng)。

沖擊電流控制

在插入電源裝置(PSU)期間，由于電容負載，可能會產(chǎn)生高沖擊電流，這可能會導(dǎo)致電壓下降并影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。熱插拔控制器集成了沖擊電流控制功能，可在插入過程中平穩(wěn)增加電流，以減輕電壓波動。這種平穩(wěn)的啟動過程可確保系統(tǒng)中的其他組件保持運行而不中斷。

圖1.54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用的示意圖。

輸出電壓和電流監(jiān)測

為了確保插入的PSU正常運行，熱插拔控制器通過集成的PMBus?對輸出電壓和電流進行實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可傳輸至LTpowerPlay?進行分析和評估。此監(jiān)測功能可以快速識別PSU行為中的任何異常，從而有助于快速響應(yīng)潛在問題。

綜合控制

這款熱插拔控制器提供了良好的靈活性和可配置性。設(shè)計人員可對設(shè)置進行自定義，以滿足其熱插拔系統(tǒng)的特定要求。這種適應(yīng)性在具有不同PSU需求的應(yīng)用中尤其寶貴。

系統(tǒng)級性能優(yōu)勢

現(xiàn)在，我們來看一下在系統(tǒng)級應(yīng)用（特別是54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用）中加入熱插拔控制器的優(yōu)勢和益處。參考圖1。

系統(tǒng)參考設(shè)計專門針對并行模式功能進行了設(shè)計和優(yōu)化，從而能夠通過熱插拔控制器從帶電背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模塊。在正常運行期間，電荷泵和柵極驅(qū)動器激活M1和M2 MOSFET，促進電力向負載傳輸。這些柵極驅(qū)動器由熱插拔控制器電源(VDD)引腳供電，并包括內(nèi)置14 V柵極-源極鉗位，用于外部MOSFET保護。在熱插拔控制器中，通過一組比較器（包括欠壓(UV)、過壓(OV)和啟用(EN)比較器）在啟用柵極之前驗證外部條件。三個欠壓保護電路（UVLO1、UVLO2和UVLO3）會驗證輸入電源并在內(nèi)部生成5 V電源（INTVCC和DVCC）。當DVCC超過閾值時，UVLO3還會觸發(fā)邏輯電路的上電初始化，并將EEPROM內(nèi)容讀取到操作存儲器中。在正常運行期間，熱插拔控制器會在啟動去抖延遲后激活外部N溝道MOSFET。

LTC4287提供雙級電流保護，利用開爾文電流輸入（SENSE+和SENSE-）引腳來監(jiān)測檢測電阻上的負載電流。它具有主動限流和快速限流比較器閾值?？焖傧蘖鏖撝凳冀K設(shè)置為標稱限流的三倍。當檢測電壓達到限流閾值時，相關(guān)柵極被拉低以接合主動限流環(huán)路。如果發(fā)生突然短路或輸入尖峰達到快速限流比較器閾值，則相應(yīng)的柵極立即被拉至源極，從而限制峰值電流。一旦檢測電壓恢復(fù)到限流閾值，主動限流環(huán)路就會接管電流控制。

圖2.BR-080064，適用于54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計硬件。

圖3.適用于連接到LTpowerPlay的54 V至12 V系統(tǒng)應(yīng)用的ADI參考設(shè)計。

增強系統(tǒng)可靠性

在系統(tǒng)應(yīng)用中，可靠性至關(guān)重要。54 V至12 V PSU模塊的熱插拔是一個非常精細的操作過程，任何錯誤或故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機或組件損壞。熱插拔控制器的精確限流和故障檢測機制確保熱插拔操作安全進行，從而降低系統(tǒng)中斷和組件故障的風險。

圖2所示的系統(tǒng)應(yīng)用參考設(shè)計重點展示了LTC4287以及兩個能夠處理高達4 kW功率的54 V至12 V PSU模塊。其中還包含可通過LTpowerPlay?（使用DC1613）訪問的PMBus通信功能，以增強控制和監(jiān)測功能。

無縫維護

在必須保障連續(xù)運行的應(yīng)用中，通常需要定期維護或更換組件。這款熱插拔控制器的沖擊電流控制和實時監(jiān)測功能使PSU能夠順利插入和拔出。這意味著無需關(guān)閉整個系統(tǒng)即可執(zhí)行維護操作，從而最大限度地減少停機時間并最大限度地提高系統(tǒng)可用性。

降低擁有成本

無需中斷系統(tǒng)運行即可進行組件熱插拔，從而可以顯著節(jié)省成本，可能降低30%至50%。關(guān)鍵應(yīng)用的停機可能會導(dǎo)致收入或生產(chǎn)力的損失。通過部署熱插拔控制器，系統(tǒng)可以設(shè)計為最大限度地減少或消除此類中斷，從而降低長期總體擁有成本。

廣泛適用于多種應(yīng)用

熱插拔控制器并不局限于特定的行業(yè)或應(yīng)用。它可以集成到各種系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)中心、電信設(shè)備、工業(yè)自動化等。它具有良好的適應(yīng)性，能夠在不同場景中提供保護和控制，因而成為系統(tǒng)級應(yīng)用的多功能解決方案。

實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集

除了保護功能外，熱插拔控制器還提供實時監(jiān)測功能，可提供豐富的信息。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)對于系統(tǒng)診斷、性能優(yōu)化和預(yù)測性維護非常有價值。通過分析這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操作員可以做出明智的決策，并在潛在問題惡化之前主動加以解決。

系統(tǒng)應(yīng)用示例中包含一個熱插拔控制器和PMBus協(xié)議通信（參見圖3），提供了用戶友好的可訪問性。當配置了GPIO引腳時，可以實現(xiàn)讀取A/D寄存器、故障檢測和通過ALERT#中斷進行實時響應(yīng)等任務(wù)。PMBus設(shè)備的輔助地址由ADR0和ADR1引腳決定，每個引腳提供三種狀態(tài)（接地、INTVCC或保持開路），總共提供9個設(shè)備地址。

簡化系統(tǒng)設(shè)計

這款熱插拔控制器功能全面，使系統(tǒng)設(shè)計得以簡化。設(shè)計人員可以依靠這款控制器來管理熱插拔操作，從而降低系統(tǒng)其余部分的復(fù)雜性。這種簡化可以縮短開發(fā)周期并減少設(shè)計工作量。

54 V至12 V系統(tǒng)解決方案的電氣性能和結(jié)果

在系統(tǒng)參考設(shè)計中，對這款熱插拔控制器在多種測試條件下的性能進行了評估：

參數(shù)：系統(tǒng)應(yīng)用的電氣指標

輸入電壓范圍：40 V至60 V

負載電流：0 A至130 A

工作溫度：0°C至60°C

在評估熱插拔控制器時，根據(jù)特定應(yīng)用的要求，需要考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)和指標。以下是一些需要評估的重要參數(shù)：

過流保護

熱插拔控制器采用多級方法來提供強大的過流保護。首先，它采用具有預(yù)設(shè)閾值的主動限流(ACL)。

圖4.限流保護，輸入電壓40V，負載電流0A至130A。

圖5.短路保護。輸入電壓為40V，負載電流為100A至130A。

當負載電流超過此限制時，控制器會主動調(diào)節(jié)輸出電壓，抑制電流并防止問題進一步加重。其次，快速限流比較器作為主動限制的補充，能夠立即對突發(fā)的高幅度過流（例如短路）做出反應(yīng)。它會迅速拉低MOSFET柵極，限制峰值電流以保護電路免受損壞。此外，這款控制器支持故障報告和恢復(fù)。如果發(fā)生過流，它會通過指定的通用引腳(GPIO)報告故障，這些引腳可以與LED相連以指示故障。故障解決后，它就會促進受控恢復(fù)，逐步恢復(fù)對負載的供電，以安全地恢復(fù)正常運行。圖4顯示了如何對參考設(shè)計進行編程，以便在線路電流超過128 A時快速做出反應(yīng)，同時鎖定輸出以防止發(fā)生潛在的危害。當達到限流時，熱插拔控制器的故障引腳會被激活。

短路保護

LTC4287配備多級短路保護系統(tǒng)，以確保短路事件期間PSU模塊的安全。首先，它能夠立即響應(yīng)短路，具有快速限流比較器，可對突發(fā)的高幅度短路情況做出迅速反應(yīng)，包括快速下拉MOSFET開關(guān)柵極以限制峰值電流并保護電路。此外，還實施了主動限流機制，為正常運行建立了預(yù)定義的限流閾值。如果短路電流超過該閾值，控制器將通過主動調(diào)節(jié)輸出電壓進行干預(yù)，以將電流降低至安全水平。

如圖5所示，如果在正常運行期間發(fā)生短路，這款熱插拔控制器會立即斷開輸入與輸出，從而提供即時保護。然后，它會發(fā)送一個信號，表示已觸發(fā)故障，具體以故障信號和電源良好(PGOOD)信號表示。這確保了輸入線路之間能夠得到充分的隔離。這種綜合方法可保證系統(tǒng)在短路情況下的安全性和彈性。

沖擊電流控制

熱插拔控制器中集成了熱沖擊電流管理，以限制熱插拔FET上因上電期間電流浪涌而引起的熱相關(guān)故障，確保安全啟動。它通過測量串聯(lián)電流檢測電阻兩端的電壓來檢測電流的上升情況。軟啟動電路逐漸增加輸出電壓，最大限度地降低超出MOSFET安全工作區(qū)(SOA)的電壓上升速率和電流尖峰。當檢測到啟動短路時，定時器(TMR)引腳中編程的SOA定時器輸出會逐漸增加到大于2.56 V的TMR閾值。熱插拔控制器會自動斷開線路而不激活保護MOSFET，如圖6所示。這樣就保證了系統(tǒng)的安全運行。這些關(guān)鍵元件可實現(xiàn)平穩(wěn)有序的上電過程，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時減少電壓尖峰和浪涌。

圖6.40 V輸入電壓時的啟動短路保護。

圖7.33 V輸入電壓時觸發(fā)欠壓保護(UVP)。

圖8.64 V輸入電壓時觸發(fā)過壓保護(OVP)。

圖9.輸入電壓為40 V和60 V時，2 kW負載下的負載瞬態(tài)響應(yīng)。

總之，這款熱插拔控制器通過管理熱沖擊電流和限制浪涌來確保安全啟動。它使用電流檢測電阻來檢測增加量，采用軟啟動電路來最大限度地減少尖峰，并在發(fā)生啟動短路時自動斷開線路，從而增強系統(tǒng)安全性。這些元件可保證平穩(wěn)上電，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時降低電壓尖峰。

電壓監(jiān)測

熱插拔控制器具有內(nèi)置電壓監(jiān)測功能，可確保54 V輸入到12 V系統(tǒng)應(yīng)用的安全穩(wěn)定。它會持續(xù)跟蹤電壓水平以進行欠壓和過壓檢測，提供關(guān)鍵保護。它會評估熱插拔MOSFET后的輸入和輸出電壓，并在電壓低于欠壓閾值時做出響應(yīng)，從而防止出現(xiàn)操作問題。同樣，如果它感應(yīng)到電壓超過了過壓限制，就會啟動保護措施來保護組件免受潛在損壞。這種主動響應(yīng)可防止因電壓波動而導(dǎo)致的性能問題，從而確保系統(tǒng)的可靠性和耐用性。電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在控制器內(nèi)置的EEPROM中。

圖7說明了熱插拔控制器的欠壓保護機制，當UV引腳的電壓低于閾值（測量值為2.14 V，相當于PVIN電壓33 V）時，會使設(shè)備停止運行。圖8則顯示了過壓保護機制，當OV引腳的電壓超過閾值（測量值為2.47 V，對應(yīng)PVIN電壓為64 V）時，會關(guān)閉設(shè)備。當輸入電壓恢復(fù)正常時，控制器會自動重試并恢復(fù)。可以通過修改UV和OV引腳上的電阻分壓器值來調(diào)整閾值。

溫度監(jiān)測

LTC4287利用遠程晶體管作為傳感器來實時監(jiān)測溫度。這樣便可以收集溫度數(shù)據(jù)以進行系統(tǒng)健康評估和保護。

故障報告和指示

借助LTpowerPlay，這款熱插拔控制器可以有效地監(jiān)測和解決系統(tǒng)中的任何故障和異常，確保有效的管理和維護。

負載瞬態(tài)響應(yīng)

這款熱插拔控制器具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)，可確保動態(tài)負載變化時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它會持續(xù)監(jiān)測輸出電壓，防止電壓波動并保護系統(tǒng)中的敏感元件，如圖9所示。

準確性和精確度

這款熱插拔控制器結(jié)合了高質(zhì)量組件、校準、溫度補償、降噪、反饋回路和數(shù)字通信功能，實現(xiàn)了出色的準確性和精確度。這些特性共同確保了測量的可靠和一致，有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用的整體準確性和精確度。圖10顯示了LTC4287輸出功率讀數(shù)與測試設(shè)備測得的數(shù)據(jù)的比較。

圖10.2 kW和4 kW功率負載之間的百分比誤差精度。

校準過程對于確保熱插拔控制器測量的準確性和精確度至關(guān)重要，這對于重視數(shù)據(jù)可靠性和一致性的系統(tǒng)應(yīng)用尤為重要。通過在制造過程中校準控制器并提供用戶校準選項，LTC4287提供非常準確和精確的電壓和電流測量，有助于提高系統(tǒng)應(yīng)用和PSU模塊的整體性能和可靠性。

通過仔細評估可用參數(shù)和測試條件，這款熱插拔控制器可滿足系統(tǒng)應(yīng)用和其他大電流應(yīng)用的要求。

此外，還應(yīng)考慮加入一個強大的輔助電路，以便有效地為系統(tǒng)內(nèi)的各種內(nèi)部外設(shè)供電。在系統(tǒng)應(yīng)用中，參考設(shè)計已經(jīng)利用LT8631來提供穩(wěn)定的5 V電壓，利用LT3009確?？煽康?.3 V供電。

結(jié)論

ADI的LTC4287熱插拔控制器是一款強大的電源管理產(chǎn)品，可提高系統(tǒng)可靠性、減少停機時間并在系統(tǒng)級提供眾多優(yōu)勢。它具有故障保護、控制沖擊電流和提供實時監(jiān)測的能力，是各個行業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用中不可或缺的組件。通過引入這款熱插拔控制器，系統(tǒng)設(shè)計人員可以確保順暢、高效的熱插拔操作，從而提高系統(tǒng)可用性并降低總體擁有成本。

此外，本文還初步介紹了54 V至12 V PSU模塊的參考設(shè)計；相關(guān)團隊正致力于撰寫一篇詳盡的文章來闡述優(yōu)勢和益處。

參考文獻 1“了解、使用和選擇熱插拔控制器”。ADI公司，2003年12月。