熱插拔（hot-plugging或Hot Swap，即帶電插拔）的定義是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，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，從而提高了系統(tǒng)對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力、擴展性和靈活性等。通常來說，一個完整的熱插拔系統(tǒng)包括熱插拔系統(tǒng)的硬件，支持熱插拔的軟件和操作系統(tǒng)，支持熱插拔的設(shè)備驅(qū)動程序和支持熱插拔的用戶接口。熱插拔技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到電信服務(wù)器、USB接口、火線(firewire)和CompactPCI（是一種基于標準PCI總線的小巧而堅固的高性能總線技術(shù)，它定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標準完全兼容）中。使用熱插拔可以實現(xiàn)在背板不必關(guān)機的情況下對背板上的保障板卡設(shè)備進行替換，從而減少整個系統(tǒng)的故障停機時間，保證系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定的長時間運行。DC/DC模塊通常具有很大的輸入電容，當(dāng)模塊插入背板時輸入電容提供了一個初始的低阻抗回路，直接將模塊插入帶電背板會造成巨大的浪涌電流，而浪涌電流有可能損壞接插件、導(dǎo)線和模塊的輸入電容，更重要的是浪涌電流會造成背板供電電壓的瞬間跌落，使背板上其他設(shè)備復(fù)位而不能正常工作。此外，系統(tǒng)電壓亦可能會因浪涌電流而下降到系統(tǒng)重置閾值以下，使得其他連接著背板的電路板也無故重置。

    熱插拔控制器用來實現(xiàn)對浪涌電流的控制，保證熱插拔時背板、插拔設(shè)備的安全以及背板上其他設(shè)備的正常工作；熱插拔控制器能夠?qū)崿F(xiàn)故障設(shè)備和背板的隔離，并能提供相應(yīng)的故障指示；如果設(shè)備故障自動消失（例如設(shè)備被短路后又恢復(fù)正常），熱插拔控制器可以重新使能設(shè)備；熱插拔控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對背板電壓的監(jiān)視，如果背板電壓出現(xiàn)異常，可以將設(shè)備和背板隔離，從而保護設(shè)備不受損壞。

    熱插拔控制器需要外接N溝道MOSFET（金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor））(見圖1)，通過控制外接MOSFET柵極電壓來控制初始化時流入負載的電流大小來限制浪涌電流。此外，這個控制器可在輸出短路到接地或發(fā)生大型負載瞬變的情況下對電流做出限制。設(shè)計人員在FET時，通常都認為只要該FET能抵受DC電流負載和輸入電壓便足夠。可是，如果控制器發(fā)生故障并且該控制器又是可控制電流的器件，那這類控制器在任何的操作條件下都不能確保FET處于安全運作范圍(SOA)內(nèi)。本文將比較兩類控制器，一類只具備有電流限制的控制能力，而另一類是可同時擁有功率和電流限制的控制能力熱插拔控制器，例如美國國家半導(dǎo)體的LM5069。

圖1 LM5069熱插拔控制器

    LM5068是美國國家半導(dǎo)體推出的一款用于負輸入電壓場合的熱插拔控制器，輸入電壓范圍為-10V~-90V，它具有以下幾個特點：設(shè)備從帶電背板上安全熱插拔；-10V~-90V輸入電壓范圍；可編程欠壓和過壓保護；可編程欠壓和過壓保護滯回；可編程多功能定時器；過流保護相應(yīng)迅速；上電初始化時有源電流限制；發(fā)生保護后芯片鎖死或者重試；Power Good 具有高電平有效和低電平有效兩種版本；過熱關(guān)機保護。

    控制器

    圖1所示為LM5069熱插拔控制器。當(dāng)浪涌電流流經(jīng)傳感電阻器(Rsns)時會被感測到，而控制器只會容許一個預(yù)定的電壓通過Rsns。假如電壓增加并超過這個電壓值時，控制器便會調(diào)整柵極電壓，使其維持值電流一定的時間。電流限制所容許的長時間取決于故障檢測電流、故障閾值和外加電容器，并且通過計時器(TIMER)引腳來編程（也可以通過采樣電阻Rs的大小進行編程）。一旦TIMER到達故障的閾值，控制器便會關(guān)閉柵極，同時輸出會脫離系統(tǒng)的輸入電壓。系統(tǒng)欠壓和過壓會分別經(jīng)由UVLO和OVLO引腳上的電阻分壓器而檢測。這個組件可驗證輸入電壓是處于指定范圍，還是高出欠壓閾值或低于過壓閾值。假如輸入電壓在指定范圍以外，那柵極便會關(guān)閉。

    電源正常引腳(PGD)是一個開放漏極輸出。當(dāng)輸出(VOUT)還有幾伏便到達輸入(VIN)時，開放漏極下拉器件便會被關(guān)閉，而PGD會上拉到VOUT電軌。PGD輸出可以用來標簽下游電路以表示VOUT電壓“正常”。PWR引腳上的電阻會決定通過FET的功率極限。下文中我們還會詳細的討論這個功能。

    圖2所示為一個只可限制電流的熱插拔控制器，除了過壓和功率限制功能以外，它具備所有LM5069的功能。

圖2 只有電流限制的熱插拔控制器

    MOSFET安全運行范圍（SOA）

    在熱插拔或短路故障期間控制電流時，外置MOSFET必須保持在SOA范圍內(nèi)以防止FET發(fā)生故障。圖3所示為Vishay（威世）的SUM40N15-38場效應(yīng)管（FET）的SOA曲線。從圖中可見，它的漏源極電壓VDS為110V，而在低VDS時，電流會被FET的RDS(on)所限制。圖中所見隨時間量度出來的曲線便是FET的能量極限。

    在SOA曲線上可以畫出一條直線(圖3中的紅線)來表示只有電流限制的控制器。在正常運作時(即VDS低)，電流會被限制到5A，而FET亦會在SOA范圍以內(nèi)?？墒牵?dāng)VDS較大時，控制器的限制仍停留在相同的電流極限，而根據(jù)編程故障時間的長短，F(xiàn)ET有可能走出SOA范圍以外。例如，假如系統(tǒng)的背板電壓是50V，電流限制設(shè)置成5A和編程故障時間為40ms時，輸出短路便可能導(dǎo)致FET的運作脫離SOA范圍(圖3中的紅線)。

圖3 SUM40N15-38的SOA曲線

    圖4中的藍色曲線表示同時具有電流和功率限制功能的LM5069。其編程電流限制被設(shè)置成5A，而功率限制則被設(shè)置成50W，至于故障時間再被編程到40ms?，F(xiàn)在，當(dāng)50V的輸出發(fā)生短路時，組件將不會再在電流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V×1A=50W)。這時，F(xiàn)ET將仍然在10ms的SOA曲線下面，防止FET發(fā)生故障(圖3中的藍色虛線)。同樣地，當(dāng)一個熱插拔發(fā)生在50V輸出時，功率限制模式將會把FET維持在SOA范圍以內(nèi)(圖3中的藍色虛線)。當(dāng)VDS<10V時，組件將會進入電流限制模式，并全程為輸出提供所需的電流負載，以將FET保持在SOA以內(nèi)。LM5069的功率限制功能只會當(dāng)通過FET的功率意圖超越50W的編程限制時才會啟動，否則它只通過電流限制功能來控制FET。

圖4 電流和功率限制控制和安全運作范圍

    試驗數(shù)據(jù)

    在實驗中，同時為LM5069和電流限制控制器準備應(yīng)用電路板。兩個組件都同樣具備50V的輸入、5A的電流限制和40ms的故障時間。不過，LM5069則多了一個50W的功率限制功能。兩個應(yīng)用電路板都通過一個負載電阻器將輸出設(shè)成短路，從而增加VDS。

    圖5所示為電流限制控制器件的波形。輸出負載將VDS增加到30V。起初，電流被限制在5A，但經(jīng)過10ms后，F(xiàn)ET出現(xiàn)故障并且輸入電壓到輸出電壓發(fā)生短路。輸入電壓阻止并限制電流達到電源的電流極限。即使計時器到達40ms的時限，都不能關(guān)閉柵極，因為FET已遭損毀。查看SOA曲線，會發(fā)現(xiàn)FET在VDS=50V和IDS=5A時只能忍耐一個10ms脈沖的時間。一旦FET因電流限制控制器而超過10ms時，那FET便會發(fā)生故障(圖8中的紅色虛線)。

圖5 電流限制控制器的波形

    正如圖6所示，輸出負載將VDS增加到45V，同時LM5069將流通FET的功率限制在50W。一旦計時器到達故障閾值，那組件便會關(guān)閉FET。在這個短路的情況下，LM5069能夠有效的在SOA曲線的范圍內(nèi)控制FET(圖8的藍色虛線)。

 
圖6 LM5069 的波形

圖7 LM5069 的純電流限制

    為了展示LM5069的多功能性，圖7表示出一個純電流限制的情況。在這個情況下，輸出負載導(dǎo)致電流增加，但幅度不太大,故不足使VDS增加。LM5069以電流限制的模式運作，并把電流限制在5A。當(dāng)過了40ms的編程故障時間后，F(xiàn)ET便會被關(guān)閉。同樣，LM5069將FET控制在SOA范圍以內(nèi)(圖8中的綠色虛線)。

圖8 Vishay SUM40N15-38 SOA

    結(jié)論

    具有電流限制能力的熱插拔控制器可提供可靠性，甚至可防止FET出現(xiàn)災(zāi)難性故障。為了防止FET超出SOA范圍，用戶需要選用比較大型的FET和散熱器以獲得可靠的故障保護。LM5069將具有編程能力的功率和電流限制能力結(jié)合在一起，所以無須使用大型的外置FE也能把FET維持在SOA的安全范圍內(nèi)。