摘要：文章对干流热插拔操控战略进行了比较剖析，在介绍热插拔操控器TPS2491功用结构后，以24V电源背板总线数据采集卡为规划实例，具体介绍了根据TPS2491进行热插拔维护电路的规划进程，并对规划电路进行了测验验证，验证成果表明规划电路可有用按捺热插拔进程中的浪涌电流。
在工业操控现场PLC/DCS、刀片式服务器和冗余存储磁盘阵列(RAID)等高可用性体系，需求在整个运用生命周期内具有挨近零的停机率。假如这种体系的一个部件发生了毛病或需求晋级，它有必要在不中止体系其余部分的状况下进行替换，在体系坚持作业的状况下，发生毛病的板卡被移除，替换板卡被刺进，被称为热插拔(Hot Swap)。
任何一个板卡都具有必定的负载电容，当板卡刺进正常作业背板时，背板电源将运用较大的瞬时电流对刺进板卡负载电容充电;当板卡从正常作业背板拔出时，因为板卡上的负载电容放电，在板卡与背板之间会构成一条低阻通路，也将发生较大的瞬时电流。浪涌现象会导致背板电源瞬时下跌，形成体系意外复位，乃至损坏接口电路，关于热插拔维护电路的研讨将成为背板结构设备推广运用的要害。
1 操控战略比较
1.1 交织引脚法
“交织引脚法”也称为“预充电引脚法”，是一种最基本的热插拔浪涌电流操控计划，从物理结构上引进一长、一短两组交织电源引脚，在长电源引脚上串联了一个预充电电阻。板卡刺进背板时，长电源引脚首要接触到电源，经过预充电电阻为刺进板卡负载电容充电，并进行滤波和充电电流约束，板卡即将彻底刺进时，短电源引脚接入电源，然后旁路连接在长电源引脚的预充电电阻，为刺进板卡供电供给一个低阻通道，信号引脚在刺进板卡的最终时刻接入。板卡从背板拔出时，操控进程正好相反，长电源引脚最终与背板别离，经过预充电电阻为板卡负载电容放电。
交织引脚法不能操控负载电容的充电速率，预充电电阻的挑选有必要权衡预充电流和浪涌电流，假如电阻挑选不合理，会影响体系作业。交织引脚计划需求一个特别的连接器，这将会给选型规划带来必定的困难。
1.2 热敏电阻法
热敏电阻法选用一个负温度系数(NTC)热敏电阻合作一个外部MOSFET运用，其作业原理是：NTC热敏电阻置于功率MOSFET尽或许近，热敏电阻上的温度与功率MOSFET外壳的温度直接成正比，操控MOSFET栅极电压操控器的开关门限输入电平与热敏电阻上的温度成反比。板卡在背板上进行热插拔时，MOSFET在瞬时浪涌电流的效果下温度升高，NTC热敏电阻上的温度跟着升高，栅极电压操控器开关门限电平下降，来抵达对板卡热插拔时浪涌电流操控。
选用热敏电阻法时，一个要害的问题是，当板卡接连重复插拔时，热敏电阻或许没有满意的冷却时刻，然后在随后的热插拔事情中不能有用约束浪涌电流。一起需求考虑NTC热敏电阻的反效果时刻引起的长时刻牢靠性问题，板卡环境温度及热敏电阻本身要素对牢靠性规划带来的问题。
1.3 热插拔操控器
热插拔操控器是当时最好的热插拔解决计划，它在单芯片内集成了过压和欠压维护、过载时运用恒流源完结有源电流约束、电源电压下跌之前断开毛病负载、运用外部FET构成“抱负二极管”供给反向电流维护以及发生负载毛病后主动重启等功用。此外，新一代热插拔操控器集成了全面的模仿和数字功用，在板卡刺进并彻底上电后，可接连监测电源电压、电流、功率以及器材温度，实时供给短路和过流维护，而且能够辨认毛病板卡，在体系彻底失效或意外封闭之前撤掉毛病板卡。热插拔操控器可有用操控热插拔进程中的浪涌电流，并在体系正常作业后供给过流和负载瞬变维护，下降了体系失效点，确保了可热插拔体系的长时刻牢靠作业，热插拔操控器运用示意图如图1所示。
2 运用实例规划
2.1 TPS2491功用结构
TPS2491是TI推出的一款正高压热插拔操控器，支撑9—80 V正压体系，适用于维护新式正高压分布式电源体系，如12 V、24 V与48 V服务器背板、存储域网络、医疗体系、刺进模块以及无线基站等。TPS2491的可编程电源与电流约束功用有助于确保外部MOSFET在恰当的电压、电流与时刻条件下始终坚持在其安全作业区(SOA)范围内进行作业。在正常作业期间，外部MOSFET可在最大的栅源电压下作业，以尽或许下降通道电阻。在进行发动及呈现短路的状况下，可对栅极-源极电压进行调制，以便供给已界说的发动时刻，避免损坏外部MOSFET，TPS2491功用框图如图2所示。
1)上电发动进程
欠压确认(UVLO)和芯片使能(EN)均超越其门限电平常，GATE、PROG、TIMER和PG引脚置为有用状况，外部MOSFET在GATE驱动下被翻开，操控器运用VSENSE-OUT和VVCC-SENSE别离监测经过MOSFET漏极到源极的电压(VDS)和电流(ID)。
2)电流操控及可编程
操控器经过外部感应电阻Rs两头的电压降来监测流过MOSFET的电流ID，当浪涌电流呈现时，经过下降MOSFET栅极电压，坚持感应电阻两头压降50 mV，来抵达对热插拔时浪涌电流的操控。经过改换感应电阻Rs阻值的巨细，来调理最大输出电流。
3)MOSFET耗散功率约束
操控器经过RPOG引脚的输入电压来确认MOSFET上答应的最大耗散功率，即VPROG=PLIM/(10*ILIM)，结合所选外部MOSFET的SOA来确认守时电容GT的巨细，确保MOSFET始终坚持在其安全作业区作业。
4)过载维护
一个积分电容CT被连接到TIMER引脚供给过载延时守时和操控器重启距离守时。热插拔或输出短路形成电源电压下降时，CT进行充电，TIMER守时开端，此刻MOSFET栅极驱动电路操控ID恒流，当CT充电抵达4 V时，GATE引脚被拉低，MOSFET被关断。尔后内部电路操控CT进行放电，当放电抵达1 V时，GATE从头进行使能，操控器主动重启。尔后，假如依然过载，则上述进程将重复进行。
2.2 24V维护电路规划
本节根据TPS2491具体介绍正压24 V热插拔电路的规划进程，电路原理图如图3所示，设定VIN(MAX)=24 V，最大输出电流IMAX=1.5 A。
1)感应电阻Rs(图3中R7)选型
Rs=0.05/(1.2×IMAX)，取值33 mΩ，IMAX≈1.5 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，并要有必定的余量，而且RDSON(MAX)要满意，
其间TJ(MAX)一般取125℃，热阻RθJA取决于管子的封装及散热的办法。
依照上述条件，规划中选取了N沟道MOSFET AOLL1242作为24V热插拔电路外接MOSFET，其VDS=40V，ID=69A(VGS=10 V)，满意规划要求的最大输入电压24 V和最大输出电流1.5 A，并留有满意的余量，避免瞬态过冲。
3)MOSFET的PLIM设定
MOSFET在热插拔及输出短路时会有极大的功率耗费，约束PLIM能够维护管子避免温度过高损坏。经过对引脚PROG电压的调理，来设定PLIM的巨细，而且要满意条件：
4)守时电容CT(图3中C2)选型
挑选适宜的电容，完结设定毛病重启距离守时外，还有必要满意过载继续守时时刻内外接MOSFET的功率耗散，不形成管子损坏，规划中挑选CT=0.1μF。
5)使能发动电压设定
操控器使能发动电压为1.35 V，封闭电压为1.25 V。经过设定EN引脚输入电压，能够完结电源输入欠压维护。规划中挑选R1=200 kΩ，R2=13 kΩ，由公式
VIN(ON)=1.35/[R2/(R1+R2)]=22 V
可知，电源输入电压抵达22 V时操控器使能发动;由公式
VIN(OFF)=1.25/[R2/(R1+R2)]=20.5 V
可知，电源输入电压下降到20.5 V时操控器进入欠压维护。
6)其他选型
为了按捺高频振动，GATE驱动电阻R5取值10 Ω;为确保PG引脚吸收电流小于2 mA，上拉电阻R6取值100 kΩ;C1取值0.1μF，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避免电源反接。
3 电路测验验证
文章规划的正压24 V热插拔维护电路，经过在背板结构的数据采集卡上运用，进行测验验证，采集卡背板电源总线电压为24 V。
测验办法：在采集卡刺进背板时，经过示波器监测背板电源总线波形改变状况，以及守时电容CT正极波形改变状况。
测验成果：数据采集卡无热插拔维护电路时，采集卡刺进背板时，背板电源总线波形如图4所示;数据采集卡有热插拔维护电路时，采集卡刺进背板时，背板电源总线波形如图5所示，守时电容CT正极波形如图6所示。
成果剖析：由图4波形能够看出，当采集卡无热插拔维护电路，刺进带电背板时，背板24 V电源总线电压有一个6V左右的瞬时(约3 ms)下跌。可知，若负载电容更大，则背板电源总线电压下跌将更大，下跌时刻将更长，在这样的电压下跌幅值及时刻内，及有或许形成背板上其他正常作业采集卡复位，乃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波形能够看出，当采集卡有热插拔维护电路，刺进带电背板时，背板24 V电源总线电压简直无下跌。一起，对图6剖析可知，在采集卡热插拔时呈现了浪涌过流，守时电容CT开端充电，在充电进程中MOSFET栅极驱动电路坚持电源输出恒流，因为CT充电未抵达4 V(约2 V)时采集卡负载%&&&&&%现已充电完结，热插拔操控器立刻取消了限流维护，进入了正常作业状况，操控CT开端放电，而且在图6能够显着看出，CT充电周期大巨细于放电周期，也验证了CT充电电流(25μA)和放电电流(2.5μA)的不同。
4 定论
跟着工业现场运用需求的不断提高，对产品规划办法提出了更高的要求，背板结构具有其固有的灵活性和可扩展性，而且在体系坚持正常作业的状况下，可进行毛病板卡替换插拔，十分合适工业现场实践运用。在热插拔进程中发生的浪涌电流，除了会形成体系其他正常作业板卡的意外复位外，乃至或许会损坏相关接口电路。
文章具体介绍了根据TPS2491进行热插拔维护电路规划的进程，并经过24 V电源背板总线数据采集卡规划进行实践验证，从验证成果能够看出文中规划的热插拔维护电路有用按捺了热插拔进程中的浪涌电流，热插拔电路作业正常，契合规划要求。因而，文中介绍的热插拔维护电路及其规划办法，具有较高的参考价值和运用价值。
