基于TPS2491的热插拔保护电路设计

1、基于tps2491的热插拔保护电路设计 在工业控制现场/dcs、刀片式服务器和冗余存储磁盘阵列(raid)等高可用性系统，需要在囫囵用法生命周期内具有临近零的停机率。假如这种系统的一个部件发生了故障或需要升级，它必需在不中断系统其余部分的状况下举行替换，在系统维持运转的状况下，发生故障的板卡被移除，替换板卡被插入，被称为热插拔(hot swap)。任何一个板卡都具有一定的负载，当板卡插入正常工作背板时，背板电源将用法较大的瞬时对插入板卡负载电容充电;当板卡从正常工作背板拔出时，因为板卡上的负载电容放电，在板卡与背板之间会形成一条低阻通路，也将产生较大的瞬时电流。浪涌现象会导致背板电源瞬时跌落，

2、造成系统意外复位，甚至损坏接口，对于热插拔庇护电路的讨论将成为背板结构设备推广应用的关键。1 控制策略比较1.1 交叉引脚法“交叉引脚法”也称为“预充电引脚法”，是一种最基本的热插拔浪涌电流控制计划，从物理结构上引入一长、一短两组交叉电源引脚，在长电源引脚上串联了一个预充电。板卡插入背板时，长电源引脚首先接触到电源，通过预充电电阻为插入板卡负载电容充电，并举行滤波和充电电流限制，板卡将要彻低插入时，短电源引脚接入电源，从而旁路衔接在长电源引脚的预充电电阻，为插入板卡供电提供一个低阻通道，信号引脚在插入板卡的最后时刻接入。板卡从背板拔出时，控制过程正巧相反，长电源引脚最后与背板分别，通过预充电电

3、阻为板卡负载电容放电。交叉引脚法不能控制负载电容的充电速率，预充电电阻的挑选必需权衡预充电流和浪涌电流，假如电阻挑选不合理，会影响系统工作。交叉引脚计划需要一个特别的，这将会给选型设计带来一定的困难。1.2 热敏电阻法热敏电阻法采纳一个负温度系数(ntc)热敏电阻协作一个外部用法，其工作原理是：ntc热敏电阻置于功率mosfet尽可能近，热敏电阻上的温度与功率mosfet外壳的温度挺直成正比，控制mosfet栅极控制器的开关门限输入电平与热敏电阻上的温度成反比。板卡在背板上举行热插拔时，mosfet在瞬时浪涌电流的作用下温度上升，ntc热敏电阻上的温度随着上升，栅极电压控制器开关门限电平下降，

4、来达到对板卡热插拔时浪涌电流控制。采纳热敏电阻法时，一个关键的问题是，当板卡延续反复插拔时，热敏电阻可能没有足够的冷却时光，从而在随后的热插拔大事中不能有效限制浪涌电流。同时需要考虑ntc热敏电阻的反作用时光引起的长久牢靠性问题，板卡环境温度及热敏电阻自身因素对牢靠性设计带来的问题。1.3 热插拔控制器热插拔控制器是当前最好的热插拔解决计划，它在单芯片内集成了过压和欠压庇护、过载时利用恒流源实现有源电流限制、电源电压跌落之前断开故障负载、利用外部fet构成“抱负”提供反向电流庇护以及发生负载故障后自动重启等功能。此外，新一代热插拔控制器集成了全面的模拟和数字功能，在板卡插入并彻低上电后，可延续

5、监测电源电压、电流、功率以及器件温度，实时提供短路和过流庇护，并且可以识别故障板卡，在系统彻低失效或意外关闭之前撤掉故障板卡。热插拔控制器可有效控制热插拔过程中的浪涌电流，并在系统正常运行后提供过流和负载瞬变庇护，降低了系统失效点，保证了可热插拔系统的长久牢靠运行，热插拔控制器应用暗示图1所示。图1 热插拔控制器应用暗示图2 应用实例设计2.1 tps2491功能结构tps2491是ti推出的一款正高压热插拔控制器，支持980 v正压系统，适用于庇护新兴正高压分布式电源系统，如12 v、24 v与48 v服务器背板、存储域网络、医疗系统、插入模块以及无线基站等。tps2491的可编程电源与电流

6、限制功能有助于确保外部mosfet在适当的电压、电流与时光条件下始终保持在其平安工作区(soa)范围内举行工作。在正常工作期间，外部mosfet可在最大的栅源电压下工作，以尽可能降低通道电阻。在举行启动及浮现短路的状况下，可对栅极-源极电压举行调制，以便提供已定义的启动时光，避开损坏外部mosfet，tps2491功能框图2所示。图2 tps2491功能框图1)上电启动过程欠压锁定(uvlo)和芯片使能(en)均超过其门限电平常，gate、prog、timer和pg引脚置为有效状态，外部mosfet在gate驱动下被打开，控制器用法vsense-out和vvcc-sense分离监测通过mosf

7、et漏极到源极的电压(vds)和电流(id)。2)电流控制及可编程控制器通过外部感应电阻rs两端的电压降来监测流过mosfet的电流id，当浪涌电流浮现时，通过降低mosfet栅极电压，保持感应电阻两端压降50 mv，来达到对热插拔时浪涌电流的控制。通过变换感应电阻rs阻值的大小，来调整最大输出电流。3)mosfet耗散功率限制控制器通过rpog引脚的输入电压来确定mosfet上允许的最大耗散功率，即vprog=plim/(10*ilim)，结合所选外部mosfet的soa来确定定时电容gt的大小，保证mosfet始终保持在其平安工作区工作。4)过载庇护一个积分电容ct被衔接到timer引脚提

8、供过载延时定时和控制器重启间隔定时。热插拔或输出短路造成电源电压下降时，ct举行充电，timer定时开头，此时mosfet栅极驱动电路控制id恒流，当ct充电达到4 v时，gate引脚被拉低，mosfet被关断。此后内部电路控制ct举行放电，当放电到达1 v时，gate重新举行使能，控制器自动重启。此后，假如仍然过载，则上述过程将重复举行。2.2 24v庇护电路设计本节基于tps2491具体介绍正压24 v热插拔电路的设计过程，电路原理图3所示，设定vin(max)=24 v，最大输出电流imax=1.5 a。图3 24v热插拔电路原理图1)感应电阻rs(图3中r7)选型rs=0.05/(1.

9、2×imax)，取值33 m，imax1.5 a。2)外接mosfet选型外接n沟道mosfet vds耐压要大于输入电压和瞬态过冲，并要有一定的余量，并且rdson(max)要满足，其中tj(max)普通取125，热阻rja取决于管子的封装及散热的方式。根据上述条件，设计中选取了n沟道mosfet aoll1242作为24v热插拔电路外接mosfet，其vds=40v，id=69a(vgs=10 v)，满足设计要求的最大输入电压24 v和最大输出电流1.5 a，并留有足够的余量，防止瞬态过冲。3)mosfet的plim设定mosfet在热插拔及输出短路时会有极大的功率消耗，限制pl

10、im可以庇护管子防止温度过高损坏。通过对引脚prog电压的调整，来设定plim的大小，并且要满足条件：4)定时电容ct(图3中c2)选型挑选合适的电容，完成设定故障重启间隔定时外，还必需满足过载持续定时时光内外接mosfet的功率耗散，不造成管子损坏，设计中挑选ct=0.1f。5)使能启动电压设定控制器使能启动电压为1.35 v，关闭电压为1.25 v。通过设定en引脚输入电压，可以实现电源输入欠压庇护。设计中挑选r1=200 k，r2=13 k，由公式vin(on)=1.35/r2/(r1+r2)=22 v可知，电源输入电压达到22 v时控制器使能启动;由公式vin(off)=1.25/r2

11、/(r1+r2)=20.5 v可知，电源输入电压下降到20.5 v时控制器进入欠压庇护。6)其他选型为了抑制高频振荡，gate驱动电阻r5取值10 ;为保证pg引脚汲取电流小于2 ma，上拉电阻r6取值100 k;c1取值0.1f，d1挑选齐纳tvs管sa24ag;24 v电源输入端串接in5822肖特基二极管d2防止电源反接。3 电路测实验证文章设计的正压24 v热插拔庇护电路，通过在背板结构的数据采集卡上应用，举行测实验证，采集卡背板电源电压为24 v。测试办法：在采集卡插入背板时，通过监测背板电源总线波形变幻状况，以及定时电容ct正极波形变幻状况。测试结果：数据采集卡无热插拔庇护电路时，

12、采集卡插入背板时，背板电源总线波形4所示;数据采集卡有热插拔庇护电路时，采集卡插入背板时，背板电源总线波形5所示，定时电容ct正极波形6所示。图4 无热插拔庇护电路背板电源总线波形图图5 有热插拔庇护电路背板电源总线波形图图6 无热插拔庇护电路定时电容ct正极波形图结果分析：由图4波形可以看出，当采集卡无热插拔庇护电路，插入带电背板时，背板24 v电源总线电压有一个6v左右的瞬时(约3 ms)跌落。可知，若负载电容更大，则背板电源总线电压跌落将更大，跌落时光将更长，在这样的电压跌落幅值准时间内，及有可能造成背板上其他正常工作采集卡复位，甚至因为瞬时较大的负载电容充电浪涌电流损坏接口电路。由图5

13、波形可以看出，当采集卡有热插拔庇护电路，插入带电背板时，背板24 v电源总线电压几乎无跌落。同时，对图6分析可知，在采集卡热插拔时浮现了浪涌过流，定时电容ct开头充电，在充电过程中mosfet栅极驱动电路维持电源输出恒流，因为ct充电未达到4 v(约2 v)时采集卡负载电容已经充电完成，热插拔控制器即刻取消了限流庇护，进入了正常工作状态，控制ct开头放电，并且在图6可以显然看出，ct充电周期大大小于放电周期，也验证了ct充电电流(25a)和放电电流(2.5a)的不同。4 结论随着工业现场应用需求的不断提高，对产品设计方式提出了更高的要求，背板结构具有其固有的灵便性和可扩展性，并且在系统维持正常运转的状况下，可举行故障板卡更换插拔，十分适合工业现场实际应用。在热插拔过