本文介紹熱插拔控制器的功能和基本操作，以及用于控制浪涌電流的一些方案。本文討論了熱插拔控制器的特性和趨勢(shì)，并提供了電路板布局和MOSFET選擇的技巧。

熱插拔控制器IC可防止需要在需要將線卡插入帶電背板的應(yīng)用中發(fā)生損壞和操作故障。

當(dāng)線卡插入帶電背板時(shí)，卡的放電電源濾波電容呈現(xiàn)低阻抗，需要大的突然“浪涌”電流。這種突然的高負(fù)載會(huì)導(dǎo)致背板的電源崩潰。參見(jiàn)圖 1a。

熱插拔控制器位于背板或可拆卸卡中，在首次插入卡時(shí)提供浪涌電流限制，并在卡運(yùn)行時(shí)提供短路保護(hù)。

圖 1a.插入通電背板的印刷電路板通常會(huì)消耗過(guò)多的電流，并在背板的電源上產(chǎn)生尖峰。由于當(dāng)電路板插入背板時(shí)，印刷電路板的旁路電容器幾乎總是放電，因此在這種情況下會(huì)消耗大量電流。

圖1b顯示了熱插拔控制器如何通過(guò)緩慢降低N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻來(lái)限制浪涌電流。當(dāng)電路板首次插入時(shí)，控制器會(huì)緩慢增強(qiáng) MOSFET，允許 MOSFET 漏極處的電壓從零伏上升（對(duì)于由負(fù)電源供電的印刷電路板，則從零伏下降）。從零伏控制這種上升（或下降）的兩種方案是常見(jiàn)的。

圖 1b.在 PC 板上增加一個(gè)熱插拔控制器，通過(guò)控制施加到旁路電容器的電壓的壓擺率來(lái)限制浪涌電流。

一種方案利用了通過(guò)電容器的電流等于C dV/dt的事實(shí)。控制壓擺率（即dV/dt）可控制流入旁路電容器的電流量。雖然這種方法很容易實(shí)現(xiàn)（它要求IC內(nèi)的恒流源饋入MOSFET的柵極，并且MOSFET的柵源電容值是已知的），但它確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)：它依賴于旁路電容C的值。鑒于電解電容器的容差范圍為+20%至-60%，因此該技術(shù)在某些情況下無(wú)法提供足夠的精度。電容器的容差以及饋入MOSFET的電流源的容差可能使得有必要將電流提高到比預(yù)期更慢的速度，以確保它不會(huì)變得過(guò)大。這種方法通常需要在MOSFET的柵極和源極上連接一個(gè)額外的RC網(wǎng)絡(luò)。RC網(wǎng)絡(luò)的大小必須適合旁路電容，并且當(dāng)旁路電容發(fā)生變化時(shí)必須調(diào)整其大小。

更精確的方法是直接控制浪涌電流，方法是檢測(cè)檢測(cè)電阻兩端的電流并相應(yīng)地控制柵極。旁路電容的值在決定流過(guò)它的電流量方面并不重要，并且該方法對(duì)MOSFET柵源電容不敏感，因此不需要外部RC網(wǎng)絡(luò)。它確實(shí)需要更復(fù)雜的反饋系統(tǒng)，但熱插拔IC已經(jīng)集成了復(fù)雜性。

某些熱插拔控制器提供的電路允許您選擇任一技術(shù)來(lái)控制浪涌電流。

熱插拔控制器中的功能

熱插拔控制器配備了多種功能。例如，許多控制器在存在某些條件時(shí)保持MOSFET關(guān)閉。其中兩種情況包括電源電壓低于控制器的欠壓鎖定電平，以及控制器內(nèi)的芯片溫度高于特定溫度閾值。第一個(gè)特性是欠壓鎖定，可保護(hù) MOSFET 免受柵極驅(qū)動(dòng)電壓不足的影響。第二個(gè)特性是檢測(cè)控制器的管芯溫度，也可以保護(hù)MOSFET，但前提是控制器與其保持良好的熱接觸。此功能可防止 MOSFET 在其溫度過(guò)熱時(shí)工作。

一旦熱插拔控制器將電路板安全地連接到帶電背板，它們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下會(huì)在電路板從背板電源吸收過(guò)多電流時(shí)提供短路保護(hù)。在短路或長(zhǎng)時(shí)間毛刺期間MOSFET斷開(kāi)后，控制器可能會(huì)將其鎖存在此開(kāi)路狀態(tài)，并要求發(fā)出命令以將電源重新連接到卡。或者，如果滿足上一段所述的初始條件，它可能會(huì)自動(dòng)嘗試將電路板重新連接到電源。

某些控制器上的電流限制可以編程，允許 MOSFET 在線卡吸收高于特定電平的電流時(shí)打開(kāi)。此外，某些控制器可以檢測(cè)兩種不同類(lèi)型的高電流情況：大幅度快速事件（短路）和小幅度慢速事件（毛刺）。在這里，控制器可以在檢測(cè)到短路時(shí)快速采取行動(dòng)以打開(kāi)MOSFET。但它也可以忽略瞬時(shí)低幅度毛刺，直到遇到延長(zhǎng)的過(guò)流毛刺，此時(shí)它會(huì)緩慢打開(kāi)MOSFET。

這些控制器中的其他功能也是可編程的。某些器件允許您改變啟動(dòng)期間控制浪涌電流的壓擺率。其他允許你改變欠壓鎖定電平。還有一些功能允許您對(duì)過(guò)壓保護(hù)進(jìn)行編程 - 該功能可檢測(cè)電源電壓何時(shí)上升到安全水平以上，并在發(fā)生時(shí)關(guān)閉MOSFET。

熱插拔控制器功能的趨勢(shì)

最新的控制器改變了用于檢測(cè)大電流條件的兩級(jí)方案。現(xiàn)在可以在260ns內(nèi)做出短路響應(yīng)。但與此同時(shí)，這些電路的抗噪性得到了提高;它們可以在打開(kāi) MOSFET 之前容忍長(zhǎng)達(dá) 3ms 持續(xù)時(shí)間的毛刺。此外，關(guān)閉MOSFET所需的毛刺持續(xù)時(shí)間與毛刺水平成比例變化;低幅度毛刺必須持續(xù) 3ms 才能打開(kāi) MOSFET，而高幅度毛刺需要按比例縮短持續(xù)時(shí)間。

由于熱插拔控制器現(xiàn)在監(jiān)控低至1V的電壓，因此檢測(cè)電阻兩端的壓降變得更加重要。電壓的精度當(dāng)然會(huì)隨著檢測(cè)電阻兩端的壓降而提高。典型控制器檢測(cè)短路情況，檢測(cè)電阻兩端壓降50mV。目前有壓降低至25mV的器件可用。

為了減少元件數(shù)量，一些控制器現(xiàn)在取消了檢測(cè)電阻。它們監(jiān)視 MOSFET 漏極和源極兩端的壓降，而不是檢流電阻器上的壓降，以確定流入線卡的電流量。圖2顯示了一個(gè)控制器，該控制器在監(jiān)視通常為電信線卡供電的-48V電源時(shí)使用此技術(shù)。

圖2.大多數(shù)熱插拔控制器上的檢流電阻可以通過(guò)監(jiān)測(cè)MOSFET的漏源電壓來(lái)代替。此處所示的控制器在監(jiān)視通常為電信線卡供電的 -48V 電池時(shí)使用此技術(shù)。

如今，許多熱插拔控制器不再監(jiān)控單個(gè)電壓，而是同時(shí)監(jiān)控兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)電壓。包含子卡（其存在會(huì)改變線卡功能）的線卡構(gòu)成了這種趨勢(shì)的一個(gè)示例。這些熱插拔子卡通常由兩個(gè)低壓電源供電，這兩個(gè)電源都由熱插拔控制器監(jiān)控;1.8V和2.5V電源是常見(jiàn)的。

這些控制器占用的電路板面積現(xiàn)在是一個(gè)更大的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兯诘?PC 板已經(jīng)變得更加密集地填充了組件。此外，控制器的高度已成為一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槿缃裨絹?lái)越多的電路板被安置在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的機(jī)架中。刀片服務(wù)器就是一個(gè)很好的例子：每個(gè)線卡都充當(dāng)一種服務(wù)器，其中許多是必需的。

有關(guān)使用熱插拔控制器的提示

熱插拔控制器的布局非常重要，因?yàn)槎套呔€可以快速響應(yīng)短路和毛刺。此外，最大化大電流走線尺寸以降低寄生電感的影響也很重要。實(shí)現(xiàn)這些布局限制的兩個(gè)技巧：將控制器靠近線卡邊緣放置，并使用接地層以最小化阻抗和電感。當(dāng)使用檢測(cè)電阻時(shí)，其引線也應(yīng)具有最小長(zhǎng)度以及開(kāi)爾文連接，以確保精確的電流檢測(cè)。

當(dāng)輸出短路時(shí)，MOSFET 兩端的壓降變大。因此，開(kāi)關(guān)兩端的功耗會(huì)增加，芯片溫度也會(huì)增加。在表面貼裝封裝上實(shí)現(xiàn)良好功耗的一種有效方法是在電路板兩側(cè)的MOSFET封裝正下方布置兩個(gè)銅焊盤(pán)。然后，您可以通過(guò)過(guò)孔將兩個(gè)焊盤(pán)連接到接地層，并在電路板的頂部使用擴(kuò)大的銅安裝焊盤(pán)。

如上所述，如果熱插拔控制器檢測(cè)到自己的管芯溫度，請(qǐng)確保將 MOSFET 安裝在靠近控制器的位置，以便控制器可以檢測(cè)到過(guò)高的 MOSFET 溫度。

在大多數(shù)情況下，熱插拔控制器制造商會(huì)列出一個(gè)或多個(gè)與特定控制器配合良好的MOSFET。選擇您自己的MOSFET時(shí)，請(qǐng)根據(jù)應(yīng)用的當(dāng)前電平進(jìn)行選擇。MOSFET 的導(dǎo)通電阻 （RDS（ON））應(yīng)選擇足夠低的壓降，以在滿載時(shí)具有最小的壓降，以限制MOSFET的功耗。如果電路板具有脈沖負(fù)載或在滿負(fù)載時(shí)觸發(fā)外部欠壓復(fù)位監(jiān)視器，則高導(dǎo)通電阻會(huì)導(dǎo)致輸出紋波。根據(jù)特定控制器可能經(jīng)歷的最壞情況選擇 MOSFET 的額定功率。在高電流條件下閉鎖 MOSFET 的控制器通常可以使用具有較高導(dǎo)通電阻和較低額定功率的 MOSFET，因?yàn)?MOSFET 通常可以承受耗散高于額定封裝額定值的單脈沖。

審核編輯：郭婷