熱插拔的工作原理、使用目的和應用

熱插拔如何工作
熱插拔(HotSwap，HotPlug，HotDock)是指在不影響系統(tǒng)運行的情況下，將模塊、卡或連接器插入系統(tǒng)。
圖1所示為熱插拔過程，左側代表系統(tǒng)及其電源，電源輸出端有一個電容，右側有兩張卡，這些卡的輸入端也有電容。在將卡插入系統(tǒng)之前，輸入電容沒有充電；當卡插入系統(tǒng)時，會有很大的瞬時電流給輸入電容充電。如此大的瞬時電流可能導致系統(tǒng)電源電壓異常。熱插拔的目的是將高瞬時電流控制在相對較低的合理水平。實現(xiàn)的方法有幾種，其中PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是最簡單的方法。PTC依靠自身的電流發(fā)熱來改變阻抗，從而降低瞬時電流的幅度。其缺點是反應速度慢，長期使用會影響使用壽命。在MOS管的電流檢測電阻上增加一些簡單的阻容延遲電路的方法成本低，適合低端應用。最好的方法是使用熱插拔芯片，通常包括驅動MOS設計和電流檢測電阻。除了基本熱插拔外，它還可以提供特殊功能，如控制電流上升速率、斷開電路、管理電源和報告狀態(tài)，從而改善系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
熱插拔是通過在電源和負載之間串聯(lián)一個金屬氧化物半導體管和一個電流檢測電阻來實現(xiàn)的，如如圖2所示。電流檢測電阻的作用是將流經(jīng)MOS管的信號傳輸?shù)娇刂齐娐?，控制電路再根?jù)電流設定和定時電路控制MOS管的導通。
接下來以UCC3915為例說明熱插拔過程中的輸出電流和電壓。在圖3中，左邊的圖是UCC3915的輸出電流、輸出電壓和瞬時電容電壓的波形?？梢钥闯?，當輸出電流上升到ITRIP時，計時電容開始充電，電壓上升，計時開始；如果輸出電流超過ITRIP，上升到IMAX(設定的最大值)，由于MOS晶體管工作在線性模式，最大輸出電流被限制在這個水平，所以輸出電流會被限制在IMAX。另一方面，如果定時電容的電壓達到1.5V，MOS晶體管就會關斷，輸出電流下降到0。MOS管斷開后，電容會放電到0.5V，然后MOS管重啟，電流開始上升。如果輸出電流仍然很高，輸出電流將被限制在IMAX。定時后電路會切斷MOS管，電路始終按照這個原理工作。右圖有兩組電壓電流波形，一組是不帶熱插拔的電壓電流波形，另一組是帶熱插拔的電壓電流波形。不加熱插拔功能時，瞬時電流幅值很大，高瞬時電流幅值導致系統(tǒng)電壓下降1V左右；加熱插拔時，這時電流被限制在一個低電平，對系統(tǒng)電壓影響不大，從而達到熱插拔的目的。向系統(tǒng)添加熱插拔的好處包括：
1)在系統(tǒng)通電時移除損壞的模塊，并在不影響系統(tǒng)運行的情況下，在系統(tǒng)通電時更新或擴展該模塊；
2)由于熱插拔部件的可靠性提高，所以也可以作為斷路器使用。而且由于熱插拔部件可以自動恢復，很多熱插拔芯片為系統(tǒng)提供線路電源的信號進行故障分析，降低了成本。
熱插拔非常適合高可靠性系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)、服務器電源系統(tǒng)等。也可用于存儲設備的供電，因此這些設備需要在系統(tǒng)斷電時更換或更新。熱插拔也適用于體積小但可靠性要求高的電力系統(tǒng)，包括一些主要規(guī)格，如PCI、PCIe、USB、1394等。所以被廣泛使用。
德州儀器的熱插拔管理芯片
選擇熱插拔芯片時，應考慮以下因素：
1)熱插拔管理芯片的工作電壓范圍為48V、-48V或12V及限流范圍內(nèi)的低電壓；
2)保護模式，可以選擇自動恢復或鎖定保護模式
3)起斷路器作用的定時電路；
4)其他工況下的性能，如負載短路時的高速響應，負載增大時不損壞外圍設備。在熱插拔啟動的瞬間，可以控制電流上升速率，從而降低噪音和震動水平；
5)功耗5)MOS管或電流檢測電阻等。
TI推出了很多熱插拔產(chǎn)品，很多產(chǎn)品增加了特殊功能，提高熱插拔的工作功率，可以讓熱插拔MOS管在安全區(qū)域工作，從而提高產(chǎn)品可靠性，降低成本。另一個功能是di/dt，可以降低噪聲和對電路部件的影響。TI的熱插拔產(chǎn)品主要分為兩類：用于48V、-48V或24V應用的高壓熱插拔產(chǎn)品；適用于3V至15V應用的低壓熱插拔產(chǎn)品。
對于高壓熱插拔產(chǎn)品，可以分為兩類：48V產(chǎn)品和？48V產(chǎn)品，如圖展示4。48V產(chǎn)品有TPS2490和2491。該產(chǎn)品的工作電壓范圍從9V到80V，它包含了一個獨特的功能，稱為恒功率設置。48V熱插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398、99，本系列針對簡單的熱插拔應用，工作電壓范圍從？36到？80V，是8引腳封裝。第二個？48V熱插拔是TPS2392和TPS2393，功能全？48V熱插拔產(chǎn)品具有TPS2390系列的所有功能，還包含欠壓和過壓設置，為連接器測試提供兩個引腳。其中，定功率是TI獨有的技術。圖5比較了定功速率限制與一般線性電流模擬電路。左圖為一般線性電流模擬電路的曲線，MOS管的電流與VDS呈線性關系；右圖是定功速率曲線，從圖中公式可以看出，電流與VDS是非線性的。當負載增大時，如果沒有定功速率限制，圖6左上角的輸出電流迅速上升，輸出電壓下降，流經(jīng)MOS晶體管的功率很可能漂移出SOR如果加上定功限速功能，左下角電壓電流波形中的電流迅速上升，對輸入電容充電后迅速下降，同時MOS管的工作點始終保持在SOR以內(nèi)。因此，只要設置好定功速率限制，就可以忽略負載的變化，節(jié)省MOS管的成本。負載短路時，如果沒有定功速率限制，電流會過沖超過70A，15微秒后恢復到設定的最大電流5A，因此大電流幅值很可能損壞線路周圍的部件；增加功率限制功能后，電流上升幅度小，只有20A，1微秒后可以降低到設定的最大電流5A。對于1微秒20A的脈沖，MOS管完全工作在安全工作區(qū)。
-48V的一些熱插拔產(chǎn)品有TPS2390，TPS  2391，TPS  2398，TPS  2399。這些芯片只有8個引腳，工作電壓范圍在-36到-80V。從應用線來看，他們的應用很簡單，基本上只需要考慮最大電流設置，然后定時電路和TI獨特的設計功能叫做電流上升率。在TI的控制芯片中，很多熱插拔產(chǎn)品都有一個叫RAMP的引腳來設置電流上升速率，通常用一個電容來設置電流上升斜率。
許多控制器設計有電壓上升斜率控制。熱插拔控制器啟動時，輸出電壓上升緩慢，但輸出電流上升迅速，輸出電流的上升幅度根據(jù)不同的容性負載而變化。如果負載電容比較大，電流脈沖幅度比較大，那么這樣大的脈沖電流也會影響系統(tǒng)的正常運行。TPS239X系列采用電流上升斜率的導通方式。啟動時，輸出電流的上升斜率可以由RAMP電容設置。斜坡電容越大，上升斜率越慢，從而降低系統(tǒng)噪聲和沖擊的影響。
TI的低壓熱插拔產(chǎn)品分為內(nèi)置MOS管產(chǎn)品和外置MOS管產(chǎn)品兩類，如圖如圖7。MOS管內(nèi)置產(chǎn)品有UCC3912、UCC3915、UCC3918、TPS2420/21等。這些產(chǎn)品的最大允許電流為5安培，工作電壓范圍從0V到12V。金屬氧化物半導體外部熱插拔控制芯片包括單通道控制芯片和雙通道控制芯片，兩個單通道控制芯片包括TPS2330和TPS2331，雙通道控制芯片包括TPS2300系列。熱插拔可以應用到很多場合。圖8列出了與不同設計應用相匹配的熱插拔產(chǎn)品，可以根據(jù)表格選擇合適的熱插拔設備。