空間受限型應(yīng)用中的 PMBus 熱插拔電路介紹

摘要

本文詳細(xì)介紹了熱插拔電路基礎(chǔ)，以及要求使用系統(tǒng)保護(hù)與管理 (SPM) 和印刷電路板 (PCB) 基板面極其珍貴的情況下系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所面臨的諸多挑戰(zhàn)。以模塊化實(shí)現(xiàn)利用集成數(shù)字熱插拔控制器時(shí)，我們?yōu)槟榻B了一種框架，用于檢查設(shè)計(jì)的各項(xiàng)重要參數(shù)和熱插拔系統(tǒng)保護(hù)電路的 PCB 布局。另外，文章還列出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。

高密度系統(tǒng)的熱插拔電路保護(hù)

許多分布式電源系統(tǒng)（如圖 1 所示）都集成了總線轉(zhuǎn)換器、負(fù)載點(diǎn) (POL) 與線性穩(wěn)壓器，專(zhuān)用于高性能刀片式服務(wù)器、ATCA 解決方案和通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)[1]。這些系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于一些日益小型化的實(shí)現(xiàn)中，旨在降低成本。為了保證這些系統(tǒng)擁有最大的可靠性和最長(zhǎng)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，熱插拔控制器[2]是首選方法，因?yàn)樗梢蕴峁┳罾硐氲南到y(tǒng)保護(hù)和電管理，特別是能夠達(dá)到服務(wù)器市場(chǎng)的嚴(yán)格要求。系統(tǒng)保護(hù)與管理 (SPM) 功能專(zhuān)用卡邊緣的可用 PCB 基板面已變得相當(dāng)狹小，這并不讓人感到意外。這種情況帶來(lái)的結(jié)果是，設(shè)計(jì)工作主要集中在了高功率密度、低成本熱插拔電路實(shí)現(xiàn)上面。

圖 1 電信系統(tǒng)分布式電源架構(gòu)例子

在這類(lèi)應(yīng)用中，熱插拔控制器的特點(diǎn)是通常包括帶電電路板插入（浪涌電流控制）和拔取安全控制、故障監(jiān)控診斷與保護(hù)以及高精確度電氣（電壓、電流、功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)測(cè)量，目的是提供實(shí)時(shí)的系統(tǒng)模擬或數(shù)字域遙測(cè)。特別是，如果服務(wù)器機(jī)架一個(gè)線卡出現(xiàn)故障，該故障應(yīng)隔離在該特定線卡，不會(huì)影響系統(tǒng)底板或者其他通過(guò)帶電底板供電的線卡。熱插拔控制器正常情況下會(huì)通過(guò)接口連接至某個(gè)通過(guò) MOSFET，其同電源通路串聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)“開(kāi)/關(guān)”功能和電流檢測(cè)低電阻分流器。

圖 2 顯示了典型服務(wù)器系統(tǒng)中為供電量身定做的線卡接口和熱插拔電路原理圖，并為后續(xù)討論的模板。討論過(guò)程中，我們將不厭其煩地詳細(xì)描述熱插拔電路底板連接器邊緣插件板和下游組件。

圖 2 典型的熱插拔電路布局

一般而言，在一些 +12V 和 +48V 系統(tǒng)中，熱插拔通過(guò)器件（圖 2 中 MOSFET Q1）與高端連接配置，并且其柵極連接至接地基準(zhǔn)控制器。在 -48V 底板系統(tǒng)中，該控制器參考至 48V 電壓軌，并且根據(jù)要求上下浮動(dòng)。在所有情況下，當(dāng)檢測(cè)到故障 Q1 被熱插拔控制器迅速關(guān)閉時(shí)，必要時(shí)接地連接可不中斷。

熱插拔模塊提供一種方便的標(biāo)準(zhǔn)化方法，實(shí)現(xiàn)一站式熱插拔解決方案。這種模塊是一種單獨(dú)、獨(dú)立的子配件，它們是一些結(jié)構(gòu)相同、超緊湊、獨(dú)立自主、經(jīng)過(guò)完全驗(yàn)證和測(cè)試的組件，完全適合于高容量 SMT 制造。同樣，它可在多個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用之間靈活地部署使用，從而極大地減輕了系統(tǒng)工程師的設(shè)計(jì)工作負(fù)擔(dān)。熱插拔模塊通常以一種中間夾層的方式平行堆疊在系統(tǒng)主板上，利用鍍過(guò)孔 (PTH) 或者表面貼裝 (SMT) 接頭與電源和信號(hào)連接形成母子配置結(jié)構(gòu)。另外，需要注意的是，主板通過(guò)模塊的終端連接提供導(dǎo)電散熱。然而，使用雙面模塊板布局時(shí)，主要功耗組件通過(guò) MOSFET 和分流電阻器，放置于模塊的頂部，以有目的地利用應(yīng)用環(huán)境中的自然或者強(qiáng)制對(duì)流。

電路規(guī)范

表 1 列出了熱插拔電路模塊的相關(guān)規(guī)范。

表 1 熱插拔電路設(shè)計(jì)規(guī)范

在這種高功率密度熱插拔電路設(shè)計(jì)中，下列局限性尤為明顯：

·成本：電氣（MOSFET、控制器、分流電阻器）和機(jī)械（連接器、PCB）組件

·PCB 面積：嚴(yán)重受限

·組件規(guī)范：體積受限（尺寸和外形）

·熱規(guī)范和散熱屬性：基本散熱

電路原理圖和組件選擇

圖 2 描述了建議熱插拔電路的原理圖。可以方便地將任何負(fù)載相關(guān)大容量存儲(chǔ)電容器，靠近負(fù)載放置于主板上，無(wú)需放置在熱插拔模塊上。

圖 3 數(shù)字熱插拔電路原理圖

表 2 詳細(xì)列出了最基本的電路組件的封裝尺寸和廠商建議焊墊幾何尺寸

表 2 熱插拔電路組件封裝尺寸和建議焊墊幾何尺寸

MOSFET, Q1

在我們的例子中，我們使用了 TI NexFET? CSD17309Q3 [3]，它是一種 25°C 下 4.9 mW 開(kāi)態(tài)電阻的 30V 60A SON 器件。如果圖 4a 的開(kāi)態(tài)電阻溫度系數(shù)約為 0.3%/°C，則 55°C 工作結(jié)溫下滿負(fù)載傳導(dǎo)損耗為 0.6W。柵極到源極齊納二極管將MOSFET VGS 維持在額定電平（正負(fù)極）。2°C/W 的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻抗 RthJ-C 表明，殼結(jié)溫升約為 1.2°C。最大額定 MOSFET 結(jié)溫為 150°C。故障狀態(tài)期間 1 ms 一次性脈沖時(shí)長(zhǎng)條件下，圖 4b 和 4c 的曲線圖分別表示 50A、12V 時(shí)的安全工作區(qū) (SOA) 大小，以及 0.001 的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)到環(huán)境瞬態(tài)熱阻抗 ZthJ-A。

圖 4 CSD17309Q3[3] MOSFET: a) Rdson 隨溫度變化情況；b) SOA; c)瞬態(tài)熱阻抗

分流電阻器 RS

使用一個(gè) 2 m? 分流電阻器以后，LM25066 可提供 12.5A 的主動(dòng)電流限制（25 mV典型電流限制閾值電壓），并且精確度為 ±8%。因此，電流限制設(shè)置為額定滿負(fù)載電流的 125%?？焖僮饔脭嗦菲鞴δ茉O(shè)置為 22.5A （45 Mv 典型斷路閾值電壓）。

Vishay WSL1206-18 系列分流電阻器擁有 1% 容限和 275 ppm 電阻溫度系數(shù)。全部0.5W 額定功率可用于 70°C 額定溫度，但后續(xù)線性降低至 170°C。10A 時(shí)的分流器功耗為 0.2W。

熱插拔控制器 U1

LM25066 有一個(gè) I2C/SMBus 接口（使用 SCL、SDA/SMBA 和地址引腳連接）和一個(gè) PMBus 兼容型指令結(jié)構(gòu)，以幫助執(zhí)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置和遙測(cè)。利用三個(gè)地址引腳，設(shè)置 PMBus 地址。分別使用 1% 和 2% 精確度測(cè)量電壓、電流和功率遙測(cè)。一個(gè)二極管連接的晶體管溫度傳感器，幫助輕松、精確地進(jìn)行 MOSFET 溫度測(cè)量。

TVS, Z1

電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)到 100A/?s 甚至更大，因此輸入功率通路中的電源軌總線結(jié)構(gòu)不可避免地存在寄生電感。存儲(chǔ)于該電感中的能量傳輸至電路中其他組件，以產(chǎn)生過(guò)電壓動(dòng)態(tài)行為。這種電感式電壓過(guò)沖，會(huì)損害熱插拔 MOSFET、熱插拔控制器和下游電路的可靠性，除非對(duì)其進(jìn)行正確的控制。按照?qǐng)D 3 所示，使用一個(gè)快速響應(yīng)的單向 TVS 二極管，連接 VIN 和 GND。它主要充當(dāng)需要中斷的差模電流的分流通路。

制約 TVS [4] 的一些因素包括電氣性能、組件體積和成本。一般而言，TVS 平衡電壓 VR 等于或者大于 DC 或者連續(xù)峰值工作電壓電平。斷路事件期間承受峰值脈沖電流的 TVS 鉗位電壓 VC(MAX)，應(yīng)低于 MOSFET 和控制器的絕對(duì)最大額定電壓。另外，更高額定功率的 TVS 擁有更大的電壓開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)樗膭?dòng)態(tài)阻抗更低。因此，如果要求有更尖利的曲線圖拐點(diǎn)，則相比只根據(jù)峰值功率規(guī)范選擇的一般強(qiáng)制規(guī)定，選擇更大的 TVS 要更加有利一些。

輸入電壓范圍為 12V±10% 時(shí)，選擇 15V Vishay Esmp 系列 TVS。該器件有一個(gè)陽(yáng)極和兩個(gè)陰極連接。1.1 mm 的小體積，讓它能夠安裝在 PCB 的底部。

輸入電容器 CIN

因其可以降低輸入阻抗并提供去耦功能，本地輸入旁路電容有一定的作用，但在熱插拔期間插入插件卡時(shí)對(duì) CIN 充電的脈沖電流一般會(huì)損害電容器的可靠性，因此這種電容并不怎么實(shí)用。當(dāng)電容器位于熱插拔電路前面時(shí)，許多 OEM 廠商將其看作為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)可靠性問(wèn)題，因此一般不會(huì)安裝這種電容器。

PCB 布局

圖 5 顯示了一種緊湊、高密度的電路 PCB 布局。圖 6 顯示了該模塊的照片。熱插拔解決方案共占用 300 mm2 的 PCB 面積。TVS 和可選無(wú)源組件均位于 PCB 的底部。柵極線路和分流檢測(cè)線路均短路，并且未使用輸入去耦電容器。使用表面貼裝端接，將電源和信號(hào)連接至主板。

圖 5 熱插拔電路 PCB 布局

基本組件位于頂部，內(nèi)部各層主要構(gòu)成并行接地層，用于散熱和降低傳導(dǎo)損耗。TVS 和各種可選組件位于底部。散熱過(guò)孔位于 MOSFET 漏極板和 TVS 陰極上，連接至內(nèi)部各層。請(qǐng)記住，表面貼裝組件焊接的 PCB 作為散熱的主要方法。同樣，產(chǎn)生熱的一些組件，可以利用 PC B層內(nèi)已經(jīng)有的一些銅質(zhì)多邊形材料、層和熱過(guò)孔來(lái)提高其熱特性。使用邊緣端接將模塊化電路板連接至主板，還可以幫助散熱。如果重復(fù)脈沖鉗制期間出現(xiàn)通過(guò)MOSFET穩(wěn)態(tài)功耗和/或 TVS 功耗，則板級(jí)散熱設(shè)計(jì)變得尤為重要。這種熱插拔控制器設(shè)計(jì)，通過(guò)在出現(xiàn)故障時(shí)鎖住電路或者在檢測(cè)到故障以后后續(xù)“重試”開(kāi)始時(shí)提供足夠長(zhǎng)的暫停時(shí)間，使這一問(wèn)題得到緩解。

圖 6 熱插拔模塊照片

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)這種熱插拔控制器[2]實(shí)用實(shí)現(xiàn)，人們想出了各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，以對(duì)電路性能進(jìn)行評(píng)估：熱插拔帶電插入、電流限制和短路保護(hù)。圖 7a、7b 和 7c 分別描述了相關(guān)電路波形。

就這方面來(lái)說(shuō)，它允許在檢測(cè)到故障以前形成最高可能電流，在圖 2 所示電路輸出直接聲明的低阻抗短路特別令人討厭。根據(jù)之前的一些考慮，同輸入通路串聯(lián)的寄生電感耦合高電流轉(zhuǎn)換速率，可能會(huì)在向通過(guò) MOSFET 發(fā)送一條關(guān)閉指令以后在熱插拔控制器 VIN 和 SENSE 引腳上引起破壞性瞬態(tài)出現(xiàn)。圖 7c 突出顯示部分，使用這種模塊時(shí)斷路事件期間的電流與電壓波形，被看作是良性的。

圖 7 熱插拔電路振蕩波形：a)啟動(dòng)前插入延遲熱插拔帶電插入；b）鎖閉電流限制響應(yīng)；c）輸出短路引起的熱插拔斷路事件

輸入電流達(dá)到23A（46mV分流電壓）時(shí)，如圖 7c 所示，通過(guò) MOSFET 關(guān)閉（見(jiàn)綠色輸入電流線）。這時(shí)的輸入電壓有一個(gè)初始尖峰（原因是存在一些未鉗制寄生線路電感），但在約 18V 時(shí)迅速被 TVS 鉗位。

參考文獻(xiàn)

[1]服務(wù)器 http://www.ti.com.cn/solution/cn/server、

基站http://www.ti.com.cn/solution/cn/tetra_base_station、

ATCA 解決方案 http://www.ti.com.cn/solution/cn/atca_solutions原理圖與設(shè)計(jì)考慮因互

[2] PMBus的LM25066系統(tǒng)電源管理與保護(hù)IC http://www.ti.com.cn/product/cn/LM25066

[3] NexFET功率MOSFET技術(shù)http://www.ti.com.cn/product/cn/csd16407q5

[4]《熱插拔電路的TVS鉗制》，作者：Hagerty, Timothy，TI，刊發(fā)于 2011 年 10月《電源電子技術(shù)》