大功率刀片的-48V热插拔控制器设计

刀片必须插入机架而不能影响背板上其余刀片的工作。最新插入的刀片将利用背板的电源工作。如果检测到刀片发生故障，必须从插槽中把这个刀片拔掉，再把新的刀片插入同一个插槽以恢复服务。

把刀片插入运行中的背板或拔掉的过程称为“热插拔”。可支持这个功能的刀片称为“可热插拔”的刀片。

热插拔控制器电路的组成部分及其工作原理

当刀片插到背板上时，刀片上所有连接到背板的电容开始充电，从背板汲取大量的电流。浪涌电流会导致背板电压瞬间下降，并在连接器上产生电弧。过多的浪涌电流可使背板电源超载，从而完全关闭电源，并影响机架上其余刀片的工作。

为尽可能地减小电路板热拔插对机架上其余刀片的影响，在热插拔期间需限制刀片的浪涌电流。限制浪涌电流的电路被称为“热插拔控制器电路”。

图1显示了在刀片中实现的热插拔控制器电路的主要部分。从图的左上方开始着顺时针方向描述电路：GND端通过肖特基二极管将电源送至DC/DC转换器。DC/DC模块是一个产生有效载荷电源电压(12V，5.6V等)的独立电源。DC/DC转换器的负端通过MOSFET开关和电流感测电阻连接到-48V电源。DC/DC转换器两端的隔离(hold-off)电容保留了足够的电荷以确保电路板在背板电压降低期间保持运作。热插拔控制器利用电流感测电阻和V_{MOSFET 信号来监控MOSFET电流和电压，以便控制在发生浪涌时MOSFET消耗的功率。}

图1：典型的热插拔控制器电路。

当板卡被插入背板时，可以看到由MOSFET寄生电容引起的短暂的浪涌电流脉冲(通常为几毫秒)。此外，由于连接器的触点颤动，电源以脉冲的方式加到刀片上。热插拔控制器可使MOSFET和DC/DC转换器在触点颤动停止前处于关闭状态。然后利用电流感测电阻上的电压作为反馈电压慢慢地打开MOSFET，这样做是为了将浪涌电流值限制在刀片电源电流的最大给定值以下。该电流将对个隔离电容充电，直到V_MOSFET引脚处的电压接近-48V。此时DC/DC转换器被打开，以便为刀片的有效负载部分供电。

当有另外的板卡插入而使背板电压下降时，隔离电容的作用是保证电路板处于工作状态。隔离电容的大小与刀片消耗的总功率，以及防止出现欠压的需求直接成正比。当欠压情况下的脉冲宽度超过预置的时间限制时，将其归为“电源欠压”情况，此时欠压锁定过程开始。欠压锁定过程关闭MOSFET，直到背板电压恢复到正常值。在欠压的情况下，与GND串联的肖特基二极管可阻止来自隔离电容的反向电流流入背板。

热插拔控制器还能够检测到电源故障，例如欠压和过流。在这两种情况下，热插拔控制器将在故障排除后重新为刀片供电。

针对大功率刀片的热插拔控制器设计考虑

对于低功耗设计而言，热插拔控制器电路比较简单，这是因为背板电流非常小。但是，由于现代刀片具有更高级的功能，它需要消耗更多的功率。例如，许多ATCA刀片消耗的功率约为200瓦。为了与现今刀片设计日渐增加的功耗相适应，必须增大隔离电容的容量，并使用大功率的MOSFET。

1. 增大隔离电容容量的影响

由于浪涌电流的大小与电容成正比，对于机架上的其它刀片，增加隔离电容的容量可能会导致欠压周期较长。在欠压周期之后，热插拔控制器应使MOSFET完全开启以便隔离电容快速充电。在此期间电容的充电电流可以高于过流限制。因此，热插拔控制器应暂时中止其电流限制。

2. 电流浪涌期间MOSFET的功耗

当隔离电容开始充电时，电容上的电压近似为0V，全部背板电压被加到MOSFET上。因此MOSFET的瞬时功耗非常大。例如，在正常工作期间，功率为200瓦的刀片从-48V背板汲取4A的电流。这种刀片的过流阈值为5A，热插拔控制器在上电期间将浪涌电流限制在这个值以下。当隔离电容开始充电，MOSFET将消耗48V × 5A的功率(几乎达到250瓦)。如此大的功率已经超过了用来控制200瓦刀片的MOSFET的安全工作范围。

设计者必须确保MOSFET的功率范围不会超过其安全工作区(SOA)。否则电路的可靠性将会受到影响。图2展示了MOSFET的典型安全工作区。

   图2：MOSFET的安全工作区。

双对数图中的X轴表示MOSFET(VDS)上的电压，Y轴表示MOSFET上的电流。对于一个给定的电流脉冲宽度，安全电流脉冲振幅具有多条曲线。曲线以下的区域就是MOSFET的安全工作区。设计者应确保MOSFET的工作不会超出安全工作区(包括短暂的启动期间)。此外，应仔细考虑MOSFET在正常工作期间消耗的平均功率，以免MOSFET受损。

3. 短路保护

可能出现的任何电路故障，都可能使刀片吸收大量电流。电路故障可能发生在DC/DC转换器之前的高电压端，或DC/DC转换器之后的次级，或者DC/DC转换器本身。如果将一个出现过流故障的刀片插入背板，热插拔控制器应能够迅速反应并对电流进行限制，同时确保MOSFET工作在SOA内，以尽量减小它对同一机架上其它刀片的干扰。

4. 对电源故障的反应

在刀片工作期间，故障可能发生在背板电源或者负载部分。背板的故障可能会在欠压状况下持续一段短暂时间(由延迟时间决定)或者持续一段较长的时间，此时热插拔控制器应处于等待状态直到故障被排除，然后进行重新连接。如果刀片负载部分汲取的功率超过指定值，则热插拔控制器应关断电路板电源。

热插拔控制器设计实例

本小节描述的热插拔控制器电路采用的是低成本可编程电源管理器件，例如莱迪思半导体公司的POWR607(如图3所示)。这个热插拔电路涉及前文讨论的设计考虑。

图3：可编程电源管理器件的模块示意图。

这个可编程器件可利用6个可编程阈值比较器监控多达6个电路板电源。此外，该器件提供了多达7路开漏(open-drain)数字输出。7路输出中有两路可配置成高压MOSFET驱动器。还有两路通用数字输入可用于各种辅助控制功能。芯片上的16个PLD宏单元和4个可编程定时器可为热插拔控制器算法提供灵活控制。在下文中，电源管理器件指的是可编程热插拔控制器。

图4是使用可编程热插拔控制器的-48V热插拔电路。可编程热插拔控制器控制MOSFET(STB120NF)，参见电路图的右下角，它用于控制浪涌电流，同时使MOSFET工作在其SOA内。控制器利用MOSFET左边的电流感测电阻监控电路中的电流。通过43k和3.3k的分压器对背板电压和MOSFET两端的电压进行监控。6V齐纳管用来保护可编程热插拔控制器的输入部分。

图4：采用可编程热插拔控制器的-48V热插拔电路。

当刀片插入背板时，可编程热插拔控制器等待触点弹开以进行设置，然后利用电流脉冲代替恒流反馈对隔离电容充电。电流脉冲的速率是可编程的，以满足MOSFET的功耗特性。一旦电压达到设定的阈值，则电流脉冲的速率提高，以加速对隔离电容的充电。隔离电容完全充电后，MOSFET完全导通并激活Power_Good信号。这个信号被用来触发DC/DC转换器。通过监控可编程热插拔控制器输入端的两个电压来监控MOSFET上的电压。针对第一个电压监控(快速充电周期阈值)设置的可编程阈值决定着隔离电容从慢速充电到快速充电的转变。第二个阈值(软启动)则表明隔离电容充电结束，MOSFET完全开启。

可编程热插拔控制器需等待一段预置时期(由短路看门狗定时器决定)，等待MOSFET上的电压降到低于快速充电阈值。如果MOSFET电压未降到快速充电阈值以下，则MOSFET关闭，表明出现诸如短路的故障。采用这种方法，即使出现了短路，MOSFET仍可继续工作在其安全工作区内。

在正常工作期间，当背板电压降到低于设置的阈值时，可编程热插拔控制器感测欠压周期的开始，并启动5毫秒的内部可编程定时器。如果电源在5毫秒内恢复，则电路继续正常工作。如果超过5毫秒，那么热插拔控制器认为这是欠压事件，并转到功率再循环(power recycle)程序，等待电源稳定后开始对隔离电容进行再充电。

在正常工作期间仍可持续监控电流。如果电流超过了预置的限制值，则可编程热插拔控制器通过立即关闭MOSFET来保护电路。

图5中上方的示波器曲线展示了在脉冲宽度为5毫秒，用1.5A的电流脉冲对隔离电容充电的状况。下方的曲线是对4,700uF 隔离电容充电时MOSFET上的电压。

图5：隔离电容的充电电流和MOSFET上的电压。

用两个可编程热插拔控制器的MOSFET驱动器驱动MOSFET的栅极。一个MOSFET驱动器将电流幅值维持在1.5A，另一个MOSFET驱动器控制调制率。在这个电路中，调制率特别限制为每260毫秒区间内一个5毫秒的脉冲。这将最坏情况下(短路期间)MOSFET消耗的平均功率限制为1.5A×48V×5ms/260ms=1.4W。

定制可编程热插拔控制器

完整的热插拔算法可以用可编程热插拔控制器的16个宏单元PLD来实现。设计者可以根据客户的需求定制该算法以适应对刀片的要求。可以定制可编程热插拔控制器的下列参数：
1. 短路电路看门狗周期：如果在规定的时间段内隔离电容不充电，则关闭MOSFET。
2. 充电电流脉冲宽度：将脉冲宽度设置为可确保MOSFET在其安全工作区内工作。
3. 充电电流脉冲频率：这个参数和充电电流脉冲宽度决定了一个给定MOSFET的功耗。
4. 再循环前最小延迟时间：决定了刀片防止欠压能力。
5. 电流感测等级：该参数通过选择Rsense电阻来设定。
6. 充电电流脉冲的高度：由Rsense电阻值决定，设置充电电流脉冲的振幅。
7. 电路断路器电流：启动关断和重启动的最大电流值。
8. 终止软件启动操作：设置MOSFET完全开启并产生Power_Good信号时的电压，。
9. 转换到快速充电的占空比：确定电压，在该电压下增大充电脉冲频率以便安全缩短隔离电容的充电时间。
10. 最小工作电压：确定背板电压，电压低于该值时欠压过程开始。
11. 过压上限：高于这个电压时，MOSFET关闭以保护刀片电路。

本文小结

刀片功能的增多使得刀片的功耗不断增加，因此对热插拔控制器的安全性能也提出了更苛刻的要求。传统的热插拔控制解决方案功能有限，无法在不损失性能的情况下完全满足大功率刀片的要求。

利用Lattice POWR607可编程热插拔控制器，本文中讨论的热插拔控制器电路可提供许多可编程的特性，使设计者能够应对由增加功耗所带来的挑战，同时增强刀片的可靠性。这一设计可确保MOSFET即使在刀片里出现短路的情况下也工作在安全工作区内。通过改进防止欠压、过流保护、过压保护和出现故障时自动重试的能力，进一步增强了刀片的可靠性。此外，尽可能减小对机架上其它刀片的干扰可使刀片“更有益于热插拔”。

利用Lattice POWR607可编程热插拔控制器等器件，设计者可以对所有刀片上的热插拔控制器结构进行标准化，因为热插拔算法可以针对客户需求定制，以满足各种电路板的功率要求。