基于LT1641的雙路熱插拔電路設(shè)計(jì)
0 引言
很多大型數(shù)據(jù)系統(tǒng)中都會(huì)采用"背板+插件板"結(jié)構(gòu)。這樣，在更換維護(hù)插件板時(shí)，通常都希望在不影響系統(tǒng)工作的情況下帶電插拔。電路上電或帶電插拔時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流和電壓波動(dòng)，這些現(xiàn)象將影響設(shè)備的正常工作，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的損害。當(dāng)一塊插件板插入工作背板或者從工作背板拔出時(shí)，插件板上附加電容的充放電會(huì)給工作背板提供一個(gè)低阻抗，此時(shí)背板到插件板的高涌入電流可能會(huì)燒毀連接器和電路元件，或者暫時(shí)使背板陷落以導(dǎo)致系統(tǒng)重啟。這種現(xiàn)象就是熱插拔現(xiàn)象。
所謂熱插拔(Hot Swap)，就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)或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，換句話說，就是系統(tǒng)出現(xiàn)故障的部件能進(jìn)行帶電更換。從而提高系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)展性和靈活性。熱插拔過程一般分為三個(gè)步驟：一是物理連接過程，分插入和拔出兩種情況；二是硬件連接過程，主要指的是與系統(tǒng)相連的硬件層的電氣連接；三是軟件連接過程，主要指的是與系統(tǒng)相連的軟件層的連接。
本文主要針對(duì)某大型數(shù)據(jù)系統(tǒng)帶有雙路電壓結(jié)構(gòu)的插件板進(jìn)行熱插拔電路的設(shè)計(jì)。所討論的熱插拔概念主要是針對(duì)硬件的熱插拔，即在帶電狀態(tài)下安全地插拔電路板。其基本要求是不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，以便于系統(tǒng)的維護(hù)和重新配置。其典型應(yīng)用有基站、磁盤冗余陣列(RAID)、遠(yuǎn)程接人服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由器、網(wǎng)絡(luò)交換器以及ISDN系統(tǒng)等。
1 電路設(shè)計(jì)
某大型數(shù)據(jù)系統(tǒng)插件板由一路48 V工作電壓和一路3.3 V待機(jī)電壓供電。該插件板耗電高達(dá)1000 W(48 V／20 A)，插件熱插拔時(shí)兩路電壓均需支持熱插拔。兩路電壓的上電要求有先后順序，48 V必須在3.3 V產(chǎn)生之后才能輸出。插件板推入帶電背板時(shí)，3.3 V熱插拔電路首先上電。在3.3 V穩(wěn)定輸出后，48 V熱插拔電路開始工作。如果3.3 V熱插拔電路工作不正常，則48 V熱插拔電路將被強(qiáng)行關(guān)閉。
1.1 3.3 V緩沖電路設(shè)計(jì)
由于3.3 V電源是一個(gè)待機(jī)電源，屬于低電壓(3.3 V)、小電流(<2 A)。所以在緩沖電路設(shè)計(jì)過程中，主要考慮的是控制浪涌電流，同時(shí)力求電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用。因此，3.3 V熱插拔電路由電容C1、穩(wěn)壓管D1和MOSFET U1構(gòu)成。通過對(duì)連接在U1柵、源極之間的電容C1充電可達(dá)到限制浪涌電流的目的。為了避免插件板插入帶電背板時(shí)產(chǎn)生很大的浪涌電流。要求插件板板上的電壓應(yīng)當(dāng)斜坡式上升，其電壓上升過程的持續(xù)時(shí)間大約為30ms。
本電路中的MOS管選用P溝道的IRF7410，該器件的最大工作電流ID為-16 A，開啟電壓VGS(th) 最大值為0.9 V，其電路如圖1所示。
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當(dāng)插件板插入背板時(shí)，熱插拔電路中的RC電路開始工作，t<0時(shí)，熱插拔電路已處于穩(wěn)態(tài)，電容電壓uc(0_)為0；t=0時(shí)，開關(guān)閉合，電源VIN開始對(duì)電容進(jìn)行充電。此后在初始時(shí)刻，由于uc(0+)=uc(0_)=0，電容相當(dāng)于短路，其充電電流i(0+)=[VIN-uc(0+)]／R=VIN／R。之后，隨著時(shí)間t的延長(zhǎng)，電容電壓uc(t)逐漸增大，充電電流隨之減小。當(dāng)t→∞時(shí)，uc(∞)=VIN，充電電流i(∞)=0，此時(shí)電容如同開路，充電停止，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)KVL及元件的伏安關(guān)系，可得出換路后電路的方程為：
1.2 48 V熱插拔電路設(shè)計(jì)
48 V熱插拔電路因?yàn)槠潆妷焊摺㈦娏鬏^大，所以，要求具具有更高的可靠性和可維護(hù)性，此時(shí)，上述普通的熱插拔電路已經(jīng)不能滿足該電路的設(shè)計(jì)需要。而現(xiàn)在流行的各種熱插拔控制器可在極小的封裝內(nèi)提供多種功能(如具有可編程設(shè)置的電流檢測(cè)門限、反饋限流、短路保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓鎖定等)，正好滿足該電路設(shè)計(jì)的需要。因此，48 V熱插拔電路可在熱插拔控制器的基礎(chǔ)上搭建其外圍電路。
由于該路的電源電壓48 V，工作電流為20A。結(jié)合對(duì)各種芯片的比較，本設(shè)計(jì)最終選定的熱插拔控制器是正壓熱插拔控制器LT1641。LT1641是一款完全集成的8引腳Hot Swap熱插撥正壓控制器，它允許將電路板安全的從帶電的背板中插入或拔出，而不會(huì)在背板的電源上產(chǎn)生脈沖干擾。它可通過控制外部的N溝道MOSFET，來使電路板的電壓按設(shè)定的速率線性增加，直至達(dá)到電源電壓。同時(shí)，該器件還具有可編程的折返式限流特性，可通過電子斷路器提供短路故障保護(hù)及限流功能。其工作電壓范圍為9～80 V。
LT1641的引腳ON可用來檢測(cè)欠壓鎖定閥值，并且在發(fā)生故障后復(fù)位器件；FB腳為電源就緒比較器輸入，從輸出端到FB再到GND應(yīng)接一個(gè)電阻分壓器，以監(jiān)控輸出電壓，此外，F(xiàn)B還可用作折返限流功能反饋；PWRGD為開漏電源就緒輸出，當(dāng)VFB高于VFBH時(shí)，PWRGD為高，當(dāng)VFB低于VFBL時(shí)，PWRGD為低；TIMER為定時(shí)輸入，在TIMER到GND間連接一只電容可以設(shè)定器件維持限流狀態(tài)的最長(zhǎng)時(shí)間；GATE為外部高側(cè)N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)；SENSE為電流檢測(cè)輸入端口，從VCC到SENSE和外部N溝道MOSFET的漏極應(yīng)接一只檢測(cè)電阻。
MOS功率管選用N溝道的IRFPS3810。該器件的最大工作電流為170 A，可承受20 A的工作電流。其開啟電壓UT為5 V。當(dāng)VGS為12 V時(shí)，MOS管完全導(dǎo)通。LT1641在48 V輸入電壓下的GATE端驅(qū)動(dòng)電壓(VGATE-VCC)為15.5 V，也就是說，LT1641完全有能力驅(qū)動(dòng)IRFPS3810。而IRF-PS3810在完全導(dǎo)通的狀態(tài)下的VDS約為0.15 V，也就是說其導(dǎo)通時(shí)MOS管的內(nèi)阻很小，輸出電壓基本沒有壓降。
圖1電路中的電阻R3用于檢測(cè)電流，電容C7用于控制GATE擺率。電阻R6用于抑制Q1里的高頻振蕩，電阻R7為補(bǔ)償電阻，可補(bǔ)償電流控制環(huán)。電阻R4和R5可檢測(cè)欠壓狀態(tài)。
1.3雙路電壓互鎖電路設(shè)計(jì)
3.3 V電源是系統(tǒng)的待機(jī)電源。主要用在系統(tǒng)啟動(dòng)前控制電路進(jìn)行一些必要的初始化工作。48V電源才是系統(tǒng)正常工作時(shí)的供電電源。系統(tǒng)只有在待機(jī)狀態(tài)下才能進(jìn)入工作狀態(tài)，因此需要3.3V熱插拔電路的輸出電壓正常穩(wěn)定后才能啟動(dòng)48V電源，它們的順序不能顛倒。由于3.3 V熱插拔電路和48 V熱插拔電路的工作電壓和工作電流相差很大，因此，若將3.3 V熱插拔電路輸出直接連到48 V熱插拔電路的輸入端來驅(qū)動(dòng)48 V熱插拔電路工作，則3.3 V供電電路將存在很大的危險(xiǎn)性，因此，本設(shè)計(jì)需要采用隔離驅(qū)動(dòng)的方式。
選用常閉型光電耦合器AQV414S可實(shí)現(xiàn)3.3 V熱插拔電路對(duì)48 V熱插拔電路的隔離驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)?？捎?.3 V熱插拔電路的輸出電壓直接驅(qū)動(dòng)光耦，然后用光耦的輸出端控制LT1641的開啟／關(guān)閉，從而控制輸人腳ON。
2電路測(cè)試與驗(yàn)證
圖2所示是帶10 Ω負(fù)載的緩沖電路在接通時(shí)，3.3 V電壓的過渡過程波形圖。圖中給出的是開關(guān)閉合時(shí)，示波器同時(shí)捕捉輸入緩沖電路的電壓波形(Ch1)及電流波形(Ch2)。而當(dāng)開關(guān)合上時(shí)，由于IRF7410的作用，輸入電壓延時(shí)約100 ms才開始給電容充電。此時(shí)，電路中同時(shí)產(chǎn)生了流人電容的充電電流和流過電阻的負(fù)載電流，它們對(duì)3.3 V輸入電壓沒有影響。充電過程結(jié)束后，負(fù)載電流趨于平穩(wěn)，電路很好地限制了充電電流，從而解決了之前實(shí)驗(yàn)中合上開關(guān)時(shí)將產(chǎn)生很高的尖鋒電流的問題。
由圖2可見，當(dāng)實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)輸出電流小于5 A時(shí)，48 V熱插拔電路可以正常啟動(dòng)，輸入電壓上升時(shí)間大于50 ms。
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圖3為48 V熱插拔電路帶5 A負(fù)載時(shí)。在起動(dòng)ON信號(hào)后測(cè)試的輸入充電電流波形CH2及VGS電壓波形CH1。由圖3可見，當(dāng)顯示輸出電流大于6A時(shí)，電路就不能正常啟動(dòng)而處于脈動(dòng)狀態(tài)。這是因?yàn)樗x用的LT1641芯片的FB腳電壓VFB小于0.5 V時(shí)，限流電阻上的壓降(VCC-VSENSE)只能小于12 mV的緣故。而當(dāng)限流電阻上的壓降大于12mV時(shí)，LT1641芯片將啟動(dòng)過流保護(hù)電路，以將GATE引腳電壓下拉至零，從而關(guān)閉MOS管?？梢?，必須等48 V輸出正常后才能將后級(jí)負(fù)載釋放。這一點(diǎn)可以通過給Powergood信號(hào)增加電容延時(shí)并送給后級(jí)的控制電路來實(shí)現(xiàn)。
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3 結(jié)束語
本文針對(duì)兩路插件板供電電壓設(shè)計(jì)了不同的熱插拔電路并實(shí)現(xiàn)了兩路互鎖。該方法既滿足了系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性等方面的要求。同時(shí)又降低了成本。本文所設(shè)計(jì)的電路已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)中投入使用，其實(shí)用性和穩(wěn)定性已經(jīng)通過系統(tǒng)驗(yàn)證。
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