熱插拔技術(shù)在模塊化電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

張志鵬　韓崇偉　曹雷

摘 要：為了解決大功率模塊化電源系統(tǒng)中可更換電源模塊在帶電狀態(tài)下的快速更換維修問題，本文首先闡述了熱插拔技術(shù)的基本概念及工作原理，并分析目前熱插拔技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，然后設(shè)計(jì)了一種基于短針信號(hào)的熱插拔電路，最后通過軟件仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該熱插拔電路正確性和有效性，并成功應(yīng)用于模塊化電源系統(tǒng)中，有效提高了電源系統(tǒng)的可靠性和維修性。

關(guān)鍵詞：熱插拔；模塊化；電源系統(tǒng)

Abstract： For resolving rapid replaced problem of Replaceble Power Module under power supplying， in modular high-power system. The paper introduces the basic concept and principle of Hotswap-technique， and analysis on the methods to realize Hotswap circuit.then build up the Hotswap circuit based on short pins. The accuracy of Hotswap circuit is verified by simulation and testing， and has been successfully applied to modular high-power system， the circuit improves the reliability and rapid maintainability of the power system effectively.

Key words： Hot-swap； Module； Power system

中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在大功率模塊化電源系統(tǒng)（其結(jié)構(gòu)如圖1所示）中，常常通過電源模塊的并聯(lián)來增大電源系統(tǒng)的輸出功率。為了進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的可靠性和快速維修性，不僅需要可更換電源模塊的冗余設(shè)計(jì)，還需要在整個(gè)電源系統(tǒng)不斷電情況下插入或拔出其中的某個(gè)可更換電源模塊，而不能影響電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)可更換電源模塊的快速更換，這就要求可更換電源模塊具有熱插拔功能。

正常情況下，無熱插拔功能的電源模塊不能在電源系統(tǒng)不斷電的情況下進(jìn)行插拔。由于可更換電源模塊硬件電路板中存在大量的電感和電容，如果電源模塊進(jìn)行帶電插拔，經(jīng)常會(huì)給電源線帶來很大的瞬間電壓、浪涌電流、靜電釋放等問題，而電源線上的浪涌電流對(duì)電源模塊電路沖擊很大，很可能損壞電源模塊，造成整個(gè)系統(tǒng)損壞或崩潰；除此之外，由于模塊化電源系統(tǒng)中各個(gè)電源模塊之間有信號(hào)通信，如果進(jìn)行帶電插拔，在信號(hào)線上會(huì)產(chǎn)生的瞬間電壓變化，可能會(huì)致使電源系統(tǒng)通信異常，為此本文將針對(duì)于上述可更換電源模塊熱插拔時(shí)存在的問題進(jìn)行研究。

1 熱插拔基本概念

熱插拔（Hot Swap）即帶電插拔，指的是在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，將模塊、板卡插入或拔出系統(tǒng)而不影系統(tǒng)的正常工作，從而提高了系統(tǒng)的可靠性、快速維修性、冗余性和對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力等。對(duì)于大功率模塊化電源系統(tǒng)而言，熱插拔技術(shù)可在維持整個(gè)電源系統(tǒng)電壓的情況下，更換發(fā)生故障的電源模塊，并保證模塊化電源系統(tǒng)中其他電源模塊正常運(yùn)作。

大功率模塊化電源系統(tǒng)簡化模型如圖2所示，其中左邊代表系統(tǒng)供電電源及負(fù)載，右邊為n個(gè)可更換電源模塊。C0為負(fù)載的輸入電容，C1、C2…Cn為各電源模塊中DCDC模塊的輸入電容。假設(shè)除電源模塊n以外，其他電源模塊均插入背板，系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。此時(shí)，除Cn外其他電容均被充滿。當(dāng)電源模塊n插入系統(tǒng)背板時(shí)，背板電源母線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大瞬間浪涌電流對(duì)Cn電容充電，這樣大的浪涌電流可能會(huì)對(duì)板邊插頭、走線以及電容器造成損害。同時(shí)，較大的浪涌電流在線路上產(chǎn)生的壓降，使輸出電壓瞬時(shí)下降，引起輸出電壓不穩(wěn)。若浪涌電流超出系統(tǒng)承受能力，系統(tǒng)電壓會(huì)在瞬間下降，整個(gè)系統(tǒng)崩潰。同理，在電源模塊的信號(hào)線上也會(huì)引起電壓下降，造成通訊中斷或異常。

2 熱插拔原理

根據(jù)熱插拔的定義，熱插拔應(yīng)該包括電源熱插拔和信號(hào)熱插拔兩方面。

要實(shí)現(xiàn)電源熱插拔，就是要將電源母線上的瞬態(tài)浪涌電流控制在比較低的水平。當(dāng)可更換電源模塊加入電源熱插拔設(shè)計(jì)時(shí)，電源母線上的瞬態(tài)浪涌電流被限制在一個(gè)較低的水平，同時(shí)也不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)電壓下降，避免了熱插拔過程給電源系統(tǒng)帶來的危害，從而實(shí)現(xiàn)電源熱插拔的目的。由此可見，電源熱插拔功能主要通過限流來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：一種是PTC電阻（正溫度系數(shù)熱敏電阻）限流，PTC電阻依靠本身的電流發(fā)熱改變阻抗，從而降低電流的幅度，其缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢，而且長時(shí)間使用會(huì)影響使用壽命；另一種是MOS管通斷法，此方法反應(yīng)速度快，使用壽命長。

信號(hào)熱插拔的目的是將信號(hào)線與系統(tǒng)處理器進(jìn)行適當(dāng)“隔離”，并在模塊斷電之前終止一切通信。當(dāng)電源模塊沒有加入信號(hào)熱插拔設(shè)計(jì)時(shí)，信號(hào)線上產(chǎn)生瞬變電壓，可能導(dǎo)致系統(tǒng)通信異常。當(dāng)加入信號(hào)熱插拔設(shè)計(jì)后，瞬變電壓被限制在合理水平，并預(yù)先通知系統(tǒng)處理器終止通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)熱插拔。目前，信號(hào)熱插拔功能主要通過信號(hào)線串聯(lián)緩沖器來實(shí)現(xiàn)。綜合考慮，本文選用MOS管通斷法來實(shí)現(xiàn)電源熱插拔，并通過短針信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)熱插拔。

3 熱插拔電路設(shè)計(jì)

熱插拔電路包括四個(gè)單元：電流采樣單元、控制單元、開關(guān)單元和短針信號(hào)單元。其中，電流采樣單元采用精密采樣電阻實(shí)現(xiàn)，開關(guān)單元采用N通道場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管）實(shí)現(xiàn)，控制單元通過比較器實(shí)現(xiàn)，短針信號(hào)單元通過短針和光耦實(shí)現(xiàn)。其電路示意圖如圖3所示。

在電源與負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)采樣電阻和N通道MOS管，控制電路根據(jù)采樣電阻檢測(cè)到的電流大小以及延時(shí)電容的電荷量來控制MOS管的開通時(shí)間和開通狀態(tài)，從而避免瞬態(tài)浪涌電流的沖擊，保證系統(tǒng)的安全性以及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電源熱插拔功能；同時(shí)通過短針信號(hào)判斷模塊插入或拔出動(dòng)作，并在模塊斷電之前通知CPU終止通信。

熱插拔應(yīng)用電路如圖4所示，其中短針比長針短3mm左右，R1為采樣電阻，C1為延時(shí)電容，D1、D2、D3為穩(wěn)壓二極管，R2、R3、R4、R5和U1A組成差分放大器，R6、R8和U1B組成電壓比較器，R7和Q2組成參考電壓，R9主要用于抑制高頻干擾，R11和C2主要用于延緩MOS管Q1的開啟速率，R13、R12、U3和短針主要用于預(yù)先檢測(cè)電源模塊插入和拔出動(dòng)作，當(dāng)短針未連接時(shí)，Hotswap信號(hào)為高電平；當(dāng)短針連接時(shí)，Hotswap信號(hào)為低電平。

結(jié)合圖4，當(dāng)可更換電源模塊插入背板連接器時(shí)，正常針先接觸，輸入電壓增加，電流I0流過采樣電阻R1轉(zhuǎn)變?yōu)椴蓸与妷篣0并開始對(duì)延時(shí)電容C1充電，C1充電完成后，R2、R3、R4、R5和U1A組成差分放大器對(duì)采樣電壓U0進(jìn)行差分放大，R6、R8和U1B組成的電壓比較器對(duì)放大后的采樣電壓U1與R7、Q2組成參考電壓U2進(jìn)行比較：如果U1大于U2，即電源母線上出現(xiàn)大電流，電壓比較器U2A輸出低電平，MOS管Q1截止；如果U1小于U2，即電源母線上電流減小至合理水平，電壓比較器U2A輸出高電平，并通過R11對(duì)C2進(jìn)行充電，此時(shí)MOS管Q1處于線性工作區(qū)，輸出電壓緩慢上升，最后進(jìn)入正常工作模式。

信號(hào)熱插拔是通過短針、短針信號(hào)和軟件來實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示，當(dāng)可更換電源模塊插入背板連接器時(shí)，正常針先接觸，短針未連接，Hotswap信號(hào)為高電平；繼續(xù)插入，短針開始連接，Hotswap信號(hào)為低電平，CPU接收低電平后開始初始化通信，進(jìn)入正常工作狀態(tài)；整個(gè)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，Hotswap信號(hào)為低電平。當(dāng)可更換電源模塊拔出背板連接器時(shí)，短針先斷開，其他針未斷開，Hotswap信號(hào)為高電平，CPU接收高電平后立即卸載驅(qū)動(dòng)，終止通信，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)熱插拔。

根據(jù)電源系統(tǒng)需求，單個(gè)電源模塊額定輸出電壓24V，額定輸出電流為1.1A，最大允許電流ILIM為5A，Q3采用TL431穩(wěn)壓三極管為系統(tǒng)提供2.5V的參考電壓U2，放大比例R4/R2取50。

3.1 采樣電阻

3.2 MOS管

MOS管的選擇必須滿足電壓大于24V，電流大于5A，功率大于28.8W（24V× 1.2A=28.8W），最終采用美國國際整流器IR公司的IRF540n場(chǎng)效應(yīng)管，其參數(shù)為最大電流22A，最大電壓100V，最大功率94W。

3.3 光耦

光耦必須選擇耐壓耐大電流的高速光耦，以保證短針信號(hào)的快速響應(yīng)傳輸。最終采用日本東芝公司的TLP291高速光耦，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10m/s。

3.4 延遲時(shí)間電容

3.5 其他元件的選擇

U1選用高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)算放大器OP07，U2選用高增益寬頻帶的電壓比較器，R2、R3取1kΩ，R4、R5取50kΩ，R7取100Ω，R6、R7為限流電阻，取4.7kΩ，R8為上拉電阻，取10kΩ，R9為10Ω，R11取10k，C2取10nf，D1、D4取24V穩(wěn)壓管。

最終熱插拔電路如圖5所示。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，使用德州儀器公司的電路仿真軟件TINA-TI對(duì)圖5所示熱插拔電路進(jìn)行仿真，圖6為有負(fù)載的情況下輸入電壓VIN，負(fù)載電流IRLOAD、輸出電壓VOUT的仿真波形圖。

圖6仿真波形與第3章節(jié)理論分析相符，0～50ms模塊未插入，輸入電壓、輸出電壓均為0V；50ms時(shí)刻模塊開始插入，輸入電壓瞬間增至24V，外部MOS管保持截止?fàn)顟B(tài)，輸出電壓為0V，此刻延時(shí)電容C1由開始充電，150ms時(shí)刻延時(shí)電容C1充電完成。采樣電阻將電流轉(zhuǎn)換為采樣電壓差分放大后與2.5V參考電壓比較，采樣電壓小于2.5V，比較器輸出24V高電平對(duì)電容C2進(jìn)行充電，MOS管驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電流IRLOAD和輸出電壓VOUT開始以相同斜率上升，20ms后輸出電壓VOUT上升至24V，輸出電流IRLOAD上升至1.1A此后保持不變；400ms時(shí)刻模塊拔出，輸入電壓為0V，輸出電壓和輸出電流迅速降至0。由3.4節(jié)可知，C1越大，啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間越長，進(jìn)一步增大C1電容值為500nf，仿真波形如圖7所示，由仿真波形可以看出啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間由100ms增加到250ms，仿真結(jié)果與理論分析一致。同理，C2越大，輸出電壓上升速率越慢，進(jìn)一步增大C2電容值為50nf，仿真波形如圖8所示，由仿真波形可以看出輸出電壓上升時(shí)間由20ms增加到50ms，仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖9為滿載條件下，加入熱插拔設(shè)計(jì)和不加入熱插拔設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)載電流的仿真圖。由圖9可知，當(dāng)未加入熱插拔設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)上電后電源母線上會(huì)瞬間產(chǎn)生12A的浪涌大電流，這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)硬件造成很大的損壞；當(dāng)加入電源熱插拔設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)上電后，延遲250ms才開始有負(fù)載電流，負(fù)載電流上升至4A后開始緩慢下降，大約40ms后負(fù)載電流下降至1A，整個(gè)過程浪涌電流被限制在4A以下，遠(yuǎn)低于未加入電源熱插拔時(shí)的12A。

為了進(jìn)一步研究以上熱插拔設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果，本文進(jìn)行熱插拔實(shí)物實(shí)驗(yàn)。在電源熱插拔實(shí)驗(yàn)中，將加入熱插拔設(shè)計(jì)電源模塊分別插入電源背板，背板電源為24V，用示波器監(jiān)測(cè)電源模塊插入背板時(shí)對(duì)應(yīng)的背板電壓Vb，輸入電壓Vin，負(fù)載電壓Vout和負(fù)載電流Iout的波形，如圖10所示，實(shí)驗(yàn)與仿真波形一致，模塊上電后，熱插拔芯片延遲250ms給負(fù)載電路供電，整個(gè)過程浪涌電流低于4A，實(shí)現(xiàn)了電源熱插拔。

在信號(hào)熱插拔的實(shí)驗(yàn)中，用示波器監(jiān)測(cè)正在進(jìn)行RS485通信的電源模塊拔出時(shí)的負(fù)載電壓Vout和RS485信號(hào)波形，如圖11所示。由圖11可見，實(shí)驗(yàn)波形與理論分析一致，模塊拔出之前終止模塊與系統(tǒng)的通信，拔出后Vout迅速下降至0V。

結(jié)語

本文首先介紹了熱插拔的基本概念和工作原理，說明了在電源系統(tǒng)中加入熱插拔設(shè)計(jì)，不僅可以在系統(tǒng)不斷電情況下實(shí)現(xiàn)電源模塊的快速更換維修，還提高了電源系統(tǒng)的可靠性和快速維修性。通過分析帶電插拔給電源系統(tǒng)帶來危害的原因及過程，設(shè)計(jì)出一種基于短針信號(hào)的熱插拔電路，通過MOS管限流和光耦“隔離”的方式實(shí)現(xiàn)熱插拔功能，通過搭建該電路仿真模型，驗(yàn)證該熱插拔電路設(shè)計(jì)的正確性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該熱插拔電路設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性，并成功應(yīng)用于可更換電源模塊中，有效提高了模塊化電源系統(tǒng)的快速維修性和可靠性。

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