本文介紹熱插拔控制器的功能和基本操作，以及用于控制浪涌電流的一些方案。本文討論了熱插拔控制器的特性和趨勢，并提供了電路板布局和MOSFET選擇的技巧。

熱插拔控制器IC可防止需要在需要將線卡插入帶電背板的應用中發生損壞和操作故障。

當線卡插入帶電背板時，卡的放電電源濾波電容呈現低阻抗，需要大的突然“浪涌”電流。這種突然的高負載會導致背板的電源崩潰。參見圖 1a。

熱插拔控制器位于背板或可拆卸卡中，在首次插入卡時提供浪涌電流限制，并在卡運行時提供短路保護。

圖 1a.插入通電背板的印刷電路板通常會消耗過多的電流，并在背板的電源上產生尖峰。由于當電路板插入背板時，印刷電路板的旁路電容器幾乎總是放電，因此在這種情況下會消耗大量電流。

圖1b顯示了熱插拔控制器如何通過緩慢降低N溝道MOSFET的導通電阻來限制浪涌電流。當電路板首次插入時，控制器會緩慢增強 MOSFET，允許 MOSFET 漏極處的電壓從零伏上升（對于由負電源供電的印刷電路板，則從零伏下降）。從零伏控制這種上升（或下降）的兩種方案是常見的。

圖 1b.在 PC 板上增加一個熱插拔控制器，通過控制施加到旁路電容器的電壓的壓擺率來限制浪涌電流。

一種方案利用了通過電容器的電流等于C dV/dt的事實。控制壓擺率（即dV/dt）可控制流入旁路電容器的電流量。雖然這種方法很容易實現（它要求IC內的恒流源饋入MOSFET的柵極，并且MOSFET的柵源電容值是已知的），但它確實有一個缺點：它依賴于旁路電容C的值。鑒于電解電容器的容差范圍為+20%至-60%，因此該技術在某些情況下無法提供足夠的精度。電容器的容差以及饋入MOSFET的電流源的容差可能使得有必要將電流提高到比預期更慢的速度，以確保它不會變得過大。這種方法通常需要在MOSFET的柵極和源極上連接一個額外的RC網絡。RC網絡的大小必須適合旁路電容，并且當旁路電容發生變化時必須調整其大小。

更精確的方法是直接控制浪涌電流，方法是檢測檢測電阻兩端的電流并相應地控制柵極。旁路電容的值在決定流過它的電流量方面并不重要，并且該方法對MOSFET柵源電容不敏感，因此不需要外部RC網絡。它確實需要更復雜的反饋系統，但熱插拔IC已經集成了復雜性。

某些熱插拔控制器提供的電路允許您選擇任一技術來控制浪涌電流。

熱插拔控制器中的功能

熱插拔控制器配備了多種功能。例如，許多控制器在存在某些條件時保持MOSFET關閉。其中兩種情況包括電源電壓低于控制器的欠壓鎖定電平，以及控制器內的芯片溫度高于特定溫度閾值。第一個特性是欠壓鎖定，可保護 MOSFET 免受柵極驅動電壓不足的影響。第二個特性是檢測控制器的管芯溫度，也可以保護MOSFET，但前提是控制器與其保持良好的熱接觸。此功能可防止 MOSFET 在其溫度過熱時工作。

一旦熱插拔控制器將電路板安全地連接到帶電背板，它們在大多數情況下會在電路板從背板電源吸收過多電流時提供短路保護。在短路或長時間毛刺期間MOSFET斷開后，控制器可能會將其鎖存在此開路狀態，并要求發出命令以將電源重新連接到卡。或者，如果滿足上一段所述的初始條件，它可能會自動嘗試將電路板重新連接到電源。

某些控制器上的電流限制可以編程，允許 MOSFET 在線卡吸收高于特定電平的電流時打開。此外，某些控制器可以檢測兩種不同類型的高電流情況：大幅度快速事件（短路）和小幅度慢速事件（毛刺）。在這里，控制器可以在檢測到短路時快速采取行動以打開MOSFET。但它也可以忽略瞬時低幅度毛刺，直到遇到延長的過流毛刺，此時它會緩慢打開MOSFET。

這些控制器中的其他功能也是可編程的。某些器件允許您改變啟動期間控制浪涌電流的壓擺率。其他允許你改變欠壓鎖定電平。還有一些功能允許您對過壓保護進行編程 - 該功能可檢測電源電壓何時上升到安全水平以上，并在發生時關閉MOSFET。

熱插拔控制器功能的趨勢

最新的控制器改變了用于檢測大電流條件的兩級方案。現在可以在260ns內做出短路響應。但與此同時，這些電路的抗噪性得到了提高;它們可以在打開 MOSFET 之前容忍長達 3ms 持續時間的毛刺。此外，關閉MOSFET所需的毛刺持續時間與毛刺水平成比例變化;低幅度毛刺必須持續 3ms 才能打開 MOSFET，而高幅度毛刺需要按比例縮短持續時間。

由于熱插拔控制器現在監控低至1V的電壓，因此檢測電阻兩端的壓降變得更加重要。電壓的精度當然會隨著檢測電阻兩端的壓降而提高。典型控制器檢測短路情況，檢測電阻兩端壓降50mV。目前有壓降低至25mV的器件可用。

為了減少元件數量，一些控制器現在取消了檢測電阻。它們監視 MOSFET 漏極和源極兩端的壓降，而不是檢流電阻器上的壓降，以確定流入線卡的電流量。圖2顯示了一個控制器，該控制器在監視通常為電信線卡供電的-48V電源時使用此技術。

圖2.大多數熱插拔控制器上的檢流電阻可以通過監測MOSFET的漏源電壓來代替。此處所示的控制器在監視通常為電信線卡供電的 -48V 電池時使用此技術。

如今，許多熱插拔控制器不再監控單個電壓，而是同時監控兩個、三個或四個電壓。包含子卡（其存在會改變線卡功能）的線卡構成了這種趨勢的一個示例。這些熱插拔子卡通常由兩個低壓電源供電，這兩個電源都由熱插拔控制器監控;1.8V和2.5V電源是常見的。

這些控制器占用的電路板面積現在是一個更大的問題，因為它們所在的 PC 板已經變得更加密集地填充了組件。此外，控制器的高度已成為一個問題，因為如今越來越多的電路板被安置在同一個標準尺寸的機架中。刀片服務器就是一個很好的例子：每個線卡都充當一種服務器，其中許多是必需的。

有關使用熱插拔控制器的提示

熱插拔控制器的布局非常重要，因為短走線可以快速響應短路和毛刺。此外，最大化大電流走線尺寸以降低寄生電感的影響也很重要。實現這些布局限制的兩個技巧：將控制器靠近線卡邊緣放置，并使用接地層以最小化阻抗和電感。當使用檢測電阻時，其引線也應具有最小長度以及開爾文連接，以確保精確的電流檢測。

當輸出短路時，MOSFET 兩端的壓降變大。因此，開關兩端的功耗會增加，芯片溫度也會增加。在表面貼裝封裝上實現良好功耗的一種有效方法是在電路板兩側的MOSFET封裝正下方布置兩個銅焊盤。然后，您可以通過過孔將兩個焊盤連接到接地層，并在電路板的頂部使用擴大的銅安裝焊盤。

如上所述，如果熱插拔控制器檢測到自己的管芯溫度，請確保將 MOSFET 安裝在靠近控制器的位置，以便控制器可以檢測到過高的 MOSFET 溫度。

在大多數情況下，熱插拔控制器制造商會列出一個或多個與特定控制器配合良好的MOSFET。選擇您自己的MOSFET時，請根據應用的當前電平進行選擇。MOSFET 的導通電阻 （RDS（ON））應選擇足夠低的壓降，以在滿載時具有最小的壓降，以限制MOSFET的功耗。如果電路板具有脈沖負載或在滿負載時觸發外部欠壓復位監視器，則高導通電阻會導致輸出紋波。根據特定控制器可能經歷的最壞情況選擇 MOSFET 的額定功率。在高電流條件下閉鎖 MOSFET 的控制器通常可以使用具有較高導通電阻和較低額定功率的 MOSFET，因為 MOSFET 通常可以承受耗散高于額定封裝額定值的單脈沖。

審核編輯：郭婷