在工業控制現場plc/dcs、刀片式服務器和冗余存儲磁盤陣列(raid)等高可用性系統，需要在整個使用生命周期內具有接近零的停機率。如果這種系統的一個部件發生了故障或需要升級，它必須在不中斷系統其余部分的情況下進行替換，在系統維持運轉的情況下，發生故障的板卡被移除，替換板卡被插入，被稱為熱插拔(hot swap)。

51電子網公益庫存:

PT4115

OCP8155

1954097-1

1954289-1

HV9911

NUD4001

XC6SLX45

XC2C64A

TVP7002

BQ2057

MAX3243

MSP430F415IPMR

任何一個板卡都具有一定的負載電容，當板卡插入正常工作背板時，背板電源將使用較大的瞬時電流對插入板卡負載電容充電;當板卡從正常工作背板拔出時，由于板卡上的負載電容放電，在板卡與背板之間會形成一條低阻通路，也將產生較大的瞬時電流。浪涌現象會導致背板電源瞬時跌落，造成系統意外復位，甚至損壞接口電路，對于熱插拔保護電路的研究將成為背板結構設備推廣應用的關鍵。

1 控制策略比較

1.1 交錯引腳法

“交錯引腳法”也稱為“預充電引腳法”，是一種最基本的熱插拔浪涌電流控制方案，從物理結構上引入一長、一短兩組交錯電源引腳，在長電源引腳上串聯了一個預充電電阻。板卡插入背板時，長電源引腳首先接觸到電源，通過預充電電阻為插入板卡負載電容充電，并進行濾波和充電電流限制，板卡將要完全插入時，短電源引腳接入電源，從而旁路連接在長電源引腳的預充電電阻，為插入板卡供電提供一個低阻通道，信號引腳在插入板卡的最后時刻接入。板卡從背板拔出時，控制過程正好相反，長電源引腳最后與背板分離，通過預充電電阻為板卡負載電容放電。

交錯引腳法不能控制負載電容的充電速率，預充電電阻的選擇必須權衡預充電流和浪涌電流，如果電阻選擇不合理，會影響系統工作。交錯引腳方案需要一個特殊的連接器，這將會給選型設計帶來一定的困難。

1.2 熱敏電阻法

熱敏電阻法采用一個負溫度系數(ntc)熱敏電阻配合一個外部mosfet使用，其工作原理是：ntc熱敏電阻置于功率mosfet盡可能近，熱敏電阻上的溫度與功率mosfet外殼的溫度直接成正比，控制mosfet柵極電壓控制器的開關門限輸入電平與熱敏電阻上的溫度成反比。板卡在背板上進行熱插拔時，mosfet在瞬時浪涌電流的作用下溫度升高，ntc熱敏電阻上的溫度隨著升高，柵極電壓控制器開關門限電平下降，來達到對板卡熱插拔時浪涌電流控制。

采用熱敏電阻法時，一個關鍵的問題是，當板卡連續反復插拔時，熱敏電阻可能沒有足夠的冷卻時間，從而在隨后的熱插拔事件中不能有效限制浪涌電流。同時需要考慮ntc熱敏電阻的反作用時間引起的長期可靠性問題，板卡環境溫度及熱敏電阻自身因素對可靠性設計帶來的問題。

1.3 熱插拔控制器

熱插拔控制器是當前最好的熱插拔解決方案，它在單芯片內集成了過壓和欠壓保護、過載時利用恒流源實現有源電流限制、電源電壓跌落之前斷開故障負載、利用外部fet構成“理想二極管”提供反向電流保護以及發生負載故障后自動重啟等功能。此外，新一代熱插拔控制器集成了全面的模擬和數字功能，在板卡插入并完全上電后，可連續監測電源電壓、電流、功率以及器件溫度，實時提供短路和過流保護，并且可以識別故障板卡，在系統完全失效或意外關閉之前撤掉故障板卡。熱插拔控制器可有效控制熱插拔過程中的浪涌電流，并在系統正常運行后提供過流和負載瞬變保護，降低了系統失效點，保證了可熱插拔系統的長期可靠運行。

2 應用實例設計

2.1 tps2491功能結構

tps2491是ti推出的一款正高壓熱插拔控制器，支持9—80 v正壓系統，適用于保護新興正高壓分布式電源系統，如12 v、24 v與48 v服務器背板、存儲域網絡、醫療系統、插入模塊以及無線基站等。tps2491的可編程電源與電流限制功能有助于確保外部mosfet在適當的電壓、電流與時間條件下始終保持在其安全工作區(soa)范圍內進行工作。在正常工作期間，外部mosfet可在最大的柵源電壓下工作，以盡可能降低通道電阻。在進行啟動及出現短路的情況下，可對柵極-源極電壓進行調制，以便提供已定義的啟動時間，避免損壞外部mosfet

1)上電啟動過程

欠壓鎖定(uvlo)和芯片使能(en)均超過其門限電平時，gate、prog、timer和pg引腳置為有效狀態，外部mosfet在gate驅動下被打開，控制器使用vsense-out和vvcc-sense分別監測通過mosfet漏極到源極的電壓(vds)和電流(id)。

2)電流控制及可編程

控制器通過外部感應電阻rs兩端的電壓降來監測流過mosfet的電流id，當浪涌電流出現時，通過降低mosfet柵極電壓，保持感應電阻兩端壓降50 mv，來達到對熱插拔時浪涌電流的控制。通過變換感應電阻rs阻值的大小，來調節最大輸出電流。

3)mosfet耗散功率限制

控制器通過rpog引腳的輸入電壓來確定mosfet上允許的最大耗散功率，即vprog=plim/(10*ilim)，結合所選外部mosfet的soa來確定定時電容gt的大小，保證mosfet始終保持在其安全工作區工作。

4)過載保護

一個積分電容ct被連接到timer引腳提供過載延時定時和控制器重啟間隔定時。熱插拔或輸出短路造成電源電壓下降時，ct進行充電，timer定時開始，此時mosfet柵極驅動電路控制id恒流，當ct充電達到4 v時，gate引腳被拉低，mosfet被關斷。此后內部電路控制ct進行放電，當放電到達1 v時，gate重新進行使能，控制器自動重啟。此后，如果仍然過載，則上述過程將重復進行。

2.2 24v保護電路設計

本節基于tps2491詳細介紹正壓24 v熱插拔電路的設計過程，設定vin(max)=24 v，最大輸出電流imax=1.5 a。