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使用热插拔控制器增强系统可靠性
前言：
作者：Karl Audison Cabas，产品应用开发工程师
Ralph Clarenz Matocinos，产品应用开发助理工程师
Christian Cruz，产品应用高级工程师
摘要
本文探讨了在系统级应用中实施热插拔控制器的优势和好处。热插拔控制器提供了一种先进的解决方案，可无缝插入和拔出电子设备，确保持续运行、防止过流并进行实时监测。通过提供参考设计，用户可以更好地了解关键功能，从而增强这些功能的相关性和重要性。本文重点介绍热插拔控制器如何提高系统可靠性、最大限度地减少停机时间并保护敏感设备，最终优化系统性能并降低维护成本。
简介
在电子产品中，在不中断系统运行的情况下安全地插入和拔出电源模块的能力至关重要。众所周知，热插拔1已成为从数据中心到电信系统等许多应用的基本功能。为了确保系统在这些操作期间的安全性和完整性，需要专门的控制器。ADI公司的LTC4287在这类产品中具有明显优势。本文深入探讨了这款热插拔控制器在系统级应用中的性能、特性、益处和优势。
LTC4287：强大的热插拔控制器
LTC4287是一款多功能的高性能热插拔控制器，专为在系统实时添加或更换期间保护系统和插入的组件而设计。凭借全面的功能和强大的性能，LTC4287成为了许多关键应用中的重要组成部分。
热插拔要点
热插拔涉及在系统运行时插入或拔出组件（例如卡、电源或驱动器）的行为。这个过程充满挑战，因为需要处理供电轨并确保电压水平保持在安全范围内。热插拔控制器通过提供以下主要功能，出色地解决了这些挑战：
使用RC热电路实现精确限流
热插拔可提供精确限流，在热插拔应用中发挥着至关重要的作用。此功能可确保插入的组件所消耗的电流保持在安全范围内。一旦突发大冲击电流或故障情况，控制器会迅速做出反应，保护系统免受过流事件的影响。用户可以选择使用RC热电路，该电路模拟MOSFET从节到印刷电路板(PCB)的热传导，从而进一步提高限流的准确性。
故障检测与保护
在热插拔场景中，可能由于未对准、组件损坏或其他因素而出现故障。热插拔控制器配备全面的故障检测机制，包括欠压和过压保护。它会持续监测输入侧和输出侧的电压水平，立即采取行动隔离故障并保护系统。
冲击电流控制
在插入电源装置(PSU)期间，由于电容负载，可能会产生高冲击电流，这可能会导致电压下降并影响系统稳定性。热插拔控制器集成了冲击电流控制功能，可在插入过程中平稳增加电流，以减轻电压波动。这种平稳的启动过程可确保系统中的其他组件保持运行而不中断。
图1.54 V至12 V系统应用的示意图。
输出电压和电流监测
为了确保插入的PSU正常运行，热插拔控制器通过集成的PMBus®对输出电压和电流进行实时监测。监测数据可传输至LTpowerPlay®进行分析和评估。此监测功能可以快速识别PSU行为中的任何异常，从而有助于快速响应潜在问题。
综合控制
这款热插拔控制器提供了良好的灵活性和可配置性。设计人员可对设置进行自定义，以满足其热插拔系统的特定要求。这种适应性在具有不同PSU需求的应用中尤其宝贵。
系统级性能优势
现在，我们来看一下在系统级应用（特别是54 V至12 V系统应用）中加入热插拔控制器的优势和益处。参考图1。
系统参考设计专门针对并行模式功能进行了设计和优化，从而能够通过热插拔控制器从带电背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模块。在正常运行期间，电荷泵和栅极驱动器激活M1和M2 MOSFET，促进电力向负载传输。这些栅极驱动器由热插拔控制器电源(VDD)引脚供电，并包括内置14 V栅极-源极钳位，用于外部MOSFET保护。在热插拔控制器中，通过一组比较器（包括欠压(UV)、过压(OV)和启用(EN)比较器）在启用栅极之前验证外部条件。三个欠压保护电路（UVLO1、UVLO2和UVLO3）会验证输入电源并在内部生成5 V电源（INTVCC和DVCC）。当DVCC超过阈值时，UVLO3还会触发逻辑电路的上电初始化，并将EEPROM内容读取到操作存储器中。在正常运行期间，热插拔控制器会在启动去抖延迟后激活外部N沟道MOSFET。
LTC4287提供双级电流保护，利用开尔文电流输入（SENSE+和SENSE-）引脚来监测检测电阻上的负载电流。它具有主动限流和快速限流比较器阈值。快速限流阈值始终设置为标称限流的三倍。当检测电压达到限流阈值时，相关栅极被拉低以接合主动限流环路。如果发生突然短路或输入尖峰达到快速限流比较器阈值，则相应的栅极立即被拉至源极，从而限制峰值电流。一旦检测电压恢复到限流阈值，主动限流环路就会接管电流控制。
图2.BR-080064，适用于54 V至12 V系统应用的ADI参考设计硬件。
图3.适用于连接到LTpowerPlay的54 V至12 V系统应用的ADI参考设计。
增强系统可靠性
在系统应用中，可靠性至关重要。54 V至12 V PSU模块的热插拔是一个非常精细的操作过程，任何错误或故障都可能导致系统停机或组件损坏。热插拔控制器的精确限流和故障检测机制确保热插拔操作安全进行，从而降低系统中断和组件故障的风险。
图2所示的系统应用参考设计重点展示了LTC4287以及两个能够处理高达4 kW功率的54 V至12 V PSU模块。其中还包含可通过LTpowerPlay®（使用DC1613）访问的PMBus通信功能，以增强控制和监测功能。
无缝维护
在必须保障连续运行的应用中，通常需要定期维护或更换组件。这款热插拔控制器的冲击电流控制和实时监测功能使PSU能够顺利插入和拔出。这意味着无需关闭整个系统即可执行维护操作，从而最大限度地减少停机时间并最大限度地提高系统可用性。
降低拥有成本
无需中断系统运行即可进行组件热插拔，从而可以显著节省成本，可能降低30%至50%。关键应用的停机可能会导致收入或生产力的损失。通过部署热插拔控制器，系统可以设计为最大限度地减少或消除此类中断，从而降低长期总体拥有成本。
广泛适用于多种应用
热插拔控制器并不局限于特定的行业或应用。它可以集成到各种系统中，包括数据中心、电信设备、工业自动化等。它具有良好的适应性，能够在不同场景中提供保护和控制，因而成为系统级应用的多功能解决方案。
实时监测和数据收集
除了保护功能外，热插拔控制器还提供实时监测功能，可提供丰富的信息。这些监测数据对于系统诊断、性能优化和预测性维护非常有价值。通过分析这些数据，系统操作员可以做出明智的决策，并在潜在问题恶化之前主动加以解决。
系统应用示例中包含一个热插拔控制器和PMBus协议通信（参见图3），提供了用户友好的可访问性。当配置了GPIO引脚时，可以实现读取A/D寄存器、故障检测和通过ALERT#中断进行实时响应等任务。PMBus设备的辅助地址由ADR0和ADR1引脚决定，每个引脚提供三种状态（接地、INTVCC或保持开路），总共提供9个设备地址。
简化系统设计
这款热插拔控制器功能全面，使系统设计得以简化。设计人员可以依靠这款控制器来管理热插拔操作，从而降低系统其余部分的复杂性。这种简化可以缩短开发周期并减少设计工作量。
54 V至12 V系统解决方案的电气性能和结果
在系统参考设计中，对这款热插拔控制器在多种测试条件下的性能进行了评估：
参数：系统应用的电气指标
输入电压范围：40 V至60 V
负载电流：0 A至130 A
工作温度：0°C至60°C
在评估热插拔控制器时，根据特定应用的要求，需要考虑几个关键参数和指标。以下是一些需要评估的重要参数：
过流保护
热插拔控制器采用多级方法来提供强大的过流保护。首先，它采用具有预设阈值的主动限流(ACL)。
图4.限流保护，输入电压40V，负载电流0A至130A。
图5.短路保护。输入电压为40V，负载电流为100A至130A。
当负载电流超过此限制时，控制器会主动调节输出电压，抑制电流并防止问题进一步加重。其次，快速限流比较器作为主动限制的补充，能够立即对突发的高幅度过流（例如短路）做出反应。它会迅速拉低MOSFET栅极，限制峰值电流以保护电路免受损坏。此外，这款控制器支持故障报告和恢复。如果发生过流，它会通过指定的通用引脚(GPIO)报告故障，这些引脚可以与LED相连以指示故障。故障解决后，它就会促进受控恢复，逐步恢复对负载的供电，以安全地恢复正常运行。图4显示了如何对参考设计进行编程，以便在线路电流超过128 A时快速做出反应，同时锁定输出以防止发生潜在的危害。当达到限流时，热插拔控制器的故障引脚会被激活。
短路保护
LTC4287配备多级短路保护系统，以确保短路事件期间PSU模块的安全。首先，它能够立即响应短路，具有快速限流比较器，可对突发的高幅度短路情况做出迅速反应，包括快速下拉MOSFET开关栅极以限制峰值电流并保护电路。此外，还实施了主动限流机制，为正常运行建立了预定义的限流阈值。如果短路电流超过该阈值，控制器将通过主动调节输出电压进行干预，以将电流降低至安全水平。
如图5所示，如果在正常运行期间发生短路，这款热插拔控制器会立即断开输入与输出，从而提供即时保护。然后，它会发送一个信号，表示已触发故障，具体以故障信号和电源良好(PGOOD)信号表示。这确保了输入线路之间能够得到充分的隔离。这种综合方法可保证系统在短路情况下的安全性和弹性。
冲击电流控制
热插拔控制器中集成了热冲击电流管理，以限制热插拔FET上因上电期间电流浪涌而引起的热相关故障，确保安全启动。它通过测量串联电流检测电阻两端的电压来检测电流的上升情况。软启动电路逐渐增加输出电压，最大限度地降低超出MOSFET安全工作区(SOA)的电压上升速率和电流尖峰。当检测到启动短路时，定时器(TMR)引脚中编程的SOA定时器输出会逐渐增加到大于2.56 V的TMR阈值。热插拔控制器会自动断开线路而不激活保护MOSFET，如图6所示。这样就保证了系统的安全运行。这些关键元件可实现平稳有序的上电过程，提高系统可靠性和使用寿命，同时减少电压尖峰和浪涌。
图6.40 V输入电压时的启动短路保护。
图7.33 V输入电压时触发欠压保护(UVP)。
图8.64 V输入电压时触发过压保护(OVP)。
图9.输入电压为40 V和60 V时，2 kW负载下的负载瞬态响应。
总之，这款热插拔控制器通过管理热冲击电流和限制浪涌来确保安全启动。它使用电流检测电阻来检测增加量，采用软启动电路来最大限度地减少尖峰，并在发生启动短路时自动断开线路，从而增强系统安全性。这些元件可保证平稳上电，提高系统可靠性和使用寿命，同时降低电压尖峰。
电压监测
热插拔控制器具有内置电压监测功能，可确保54 V输入到12 V系统应用的安全稳定。它会持续跟踪电压水平以进行欠压和过压检测，提供关键保护。它会评估热插拔MOSFET后的输入和输出电压，并在电压低于欠压阈值时做出响应，从而防止出现操作问题。同样，如果它感应到电压超过了过压限制，就会启动保护措施来保护组件免受潜在损坏。这种主动响应可防止因电压波动而导致的性能问题，从而确保系统的可靠性和耐用性。电压监测数据存储在控制器内置的EEPROM中。
图7说明了热插拔控制器的欠压保护机制，当UV引脚的电压低于阈值（测量值为2.14 V，相当于PVIN电压33 V）时，会使设备停止运行。图8则显示了过压保护机制，当OV引脚的电压超过阈值（测量值为2.47 V，对应PVIN电压为64 V）时，会关闭设备。当输入电压恢复正常时，控制器会自动重试并恢复。可以通过修改UV和OV引脚上的电阻分压器值来调整阈值。
温度监测
LTC4287利用远程晶体管作为传感器来实时监测温度。这样便可以收集温度数据以进行系统健康评估和保护。
故障报告和指示
借助LTpowerPlay，这款热插拔控制器可以有效地监测和解决系统中的任何故障和异常，确保有效的管理和维护。
负载瞬态响应
这款热插拔控制器具有出色的瞬态响应，可确保动态负载变化时系统的稳定性。它会持续监测输出电压，防止电压波动并保护系统中的敏感元件，如图9所示。
准确性和精确度
这款热插拔控制器结合了高质量组件、校准、温度补偿、降噪、反馈回路和数字通信功能，实现了出色的准确性和精确度。这些特性共同确保了测量的可靠和一致，有助于提高系统应用的整体准确性和精确度。图10显示了LTC4287输出功率读数与测试设备测得的数据的比较。
图10.2 kW和4 kW功率负载之间的百分比误差精度。
校准过程对于确保热插拔控制器测量的准确性和精确度至关重要，这对于重视数据可靠性和一致性的系统应用尤为重要。通过在制造过程中校准控制器并提供用户校准选项，LTC4287提供非常准确和精确的电压和电流测量，有助于提高系统应用和PSU模块的整体性能和可靠性。
通过仔细评估可用参数和测试条件，这款热插拔控制器可满足系统应用和其他大电流应用的要求。
此外，还应考虑加入一个强大的辅助电路，以便有效地为系统内的各种内部外设供电。在系统应用中，参考设计已经利用LT8631来提供稳定的5 V电压，利用LT3009确保可靠的3.3 V供电。
结论
ADI的LTC4287热插拔控制器是一款强大的电源管理产品，可提高系统可靠性、减少停机时间并在系统级提供众多优势。它具有故障保护、控制冲击电流和提供实时监测的能力，是各个行业关键应用中不可或缺的组件。通过引入这款热插拔控制器，系统设计人员可以确保顺畅、高效的热插拔操作，从而提高系统可用性并降低总体拥有成本。
此外，本文还初步介绍了54 V至12 V PSU模块的参考设计；相关团队正致力于撰写一篇详尽的文章来阐述优势和益处。
参考文献
1“了解、使用和选择热插拔控制器”。ADI公司，2003年12月。
关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。
作者简介
Christian Cruz是ADI（菲律宾）公司的产品应用高级工程师。他拥有菲律宾马尼拉东方大学的电子工程学士学位。他在电力电子和电源控制固件设计领域拥有14年的工程经验，包括电源管理解决方案开发及AC-DC和DC-DC电源转换。他于2020年加入ADI公司，目前专注于研发消费和云端基础设施事业部及系统通信应用所需的电源管理解决方案。
Karl Audison Cabas自2020年9月起担任ADI公司的应用工程师，专注于电源应用方面的工作。他拥有菲律宾理工大学电子工程学士学位和玛布亚大学电力电子硕士学位。他在DC-DC电源转换器方面拥有4年多的经验。他之前的职责是处理客户问询以及与DC-DC转换器相关的设计问题。他目前担任云和数据中心应用的电源系统应用工程师。
Ralph Clarenz Matociños毕业于菲律宾马尼拉Pamantasan ng Lungsod ng Maynila(PLM)，获电子工程学士学位。他在电力电子领域拥有一年多的工程经验，包括电池管理系统开发和DC-DC电源转换。他于2022年加入ADI，目前担任云和数据中心应用的电源系统应用工程师。
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