热插拔控制器及其应用
热插拔电路工作原理
热插拔电路工作原理
热插拔电路工作原理及应用
热插拔即在设备工作状态下，不断接入和切断设备而不影响设备的正常运行。
这种技术在现代计算机及通信设备中得到了广泛应用，下面将详细介绍热插拔电路的工作原理及应用。
一、工作原理
热插拔电路是由管理控制电路、进出口控制电路、电源管理电路、电源模块、信号模块等构成的。
其工作流程如下：
1.管理控制电路判断插入设备的所有参数，包括电压、电流、温度、重量等；
2.进出口控制电路对设备进出口的工作状态进行控制；
3.电源管理电路对设备的电源进行管理，如开关、充电等操作；
4.电源模块提供设备电源；
5.信号模块传输设备数据信息。
二、应用领域
热插拔技术是一种灵活性较高的技术，具有广泛的应用领域，下面列举几个常见的应用领域：
1.计算机设备：如CPU、硬盘、内存等设备；
2.网络设备：如交换机、路由器、光纤收发器等；
3.服务器设备：如存储设备、备份设备等；
4.工业设备：如PLC、控制器、集中器等；
5.汽车电子设备：如汽车导航、车载音响、车载视频等。
三、应用优势
热插拔技术具有以下优势：
1.可以实现设备当机情况下更换硬件，这对于高性能服务器来说非常重要；
2.可以降低设备停机时间，提高设备运行效率；
3.可以更换已经失效的硬件，提高设备运行可靠性；
4.可以提高设备的可维护性和可扩展性；
5.可以节省设备维修费用和人力成本。
总之，热插拔技术是现代计算机及通信设备中非常重要的一项技术。
我们需要充分了解热插拔电路的工作原理以及应用领域，才能更好地应用这项技术，提高设备的性能和稳定性，降低运营成本。
SIEMENSPLC系统中热插拔功能的应用与说明
显示订货号功能；（需要使用有源总线底板，如下说明）注：采用S7-300作为主站的软冗余系统无法实现热插拔全部功能，不具备以上所列第3，4条目中的全部功能。
当您将ET200M从站上的模块拔出时，CPU不停机，主CPU、备用CPU 上的SF灯亮，BUSF灯闪烁，ET200M从站上的2块IM153-2模块的SF灯亮，BF灯闪烁，该ET200M从站上所有模块的I/O值被清0，S7-300主站失去对该ET200M从站的控制能力。
当您再次将模块插入到ET200M站上时，系统从主CPU切换到备用CPU，SF、BUSF、BF 灯熄灭，软冗余系统重新回到正常运行状态。
（新CPU支持“Startup when expected/actual config. differ.”功能，功能见下文；软冗余系统不支持使用GSD文件组态ET200M站点）若要在软冗余系统中实现热插拔的全部4项功能，您必须使用S7-400作为软冗余系统的主站。
√S7-400作为PROFIBUS DP主站下挂DP从站ET200M、ET200S、ET200iS，支持热插拔功能；（需要使用有源总线底板，如下说明）√S7-400 CPU直接带I/O模块的方式支持热插拔。
S7-400系统由于很好的电磁兼容性和抗冲击、耐震动性能，因而能最大限度的满足各种工业标准，模板能够带电插、拔，当S7-400机架上插入或取出模板时，都会在CPU中产生一个中断信息，供客户在用户程序中对模板更换的动作进行相应的处理。
3.ET200M的有源总线底板配置与说明：ET200M是在工业现场经常使用的PROFIBUS DP分布式从站，一个ET200M从站一般由导轨（S7-300系列通用导轨）、IM153接口模块、若干块S7-300系列的模块（PS电源模块、I/O 模块、CP通讯模块、FM功能模块）组成：这样的ET200M从站是不支持热插拔功能的。
为了实现ET200M从站的热插拔功能，我们需要对ET200M的硬件配置进行一些调整，通用导轨更换成带有有源总线模板的导轨，下图向您展示了1个有源总线导轨和5个有源总线模板组装后的情形：如下是关于有源总线模板的订货信息和实物照片：名称订货号注释图片链接有源总线导轨6ES7 195-1GA00-0XA0长度为482.6 mm实物图片最多安装5个有源总线模板6ES7 195-1GA00-0XA06ES7 195-7HA00-0XA0 6ES7 195-7HB00-0XA0 6ES7 195-7HC00-0XA0 6ES7 195-7HD10-0XA0 6ES7 153-2BA02-0XB0下图向您比对了有源总线导轨与S7-300通用导轨的区别：下图向您展示有源总线导轨、有源总线模板和2个IM153-2接口模块组装后的情形：关于ET200M站"Module change during operation"（运行中更换模块）功能实现的说明："Module change during operation" (or "Insert/Remove module") 功能使得您能够在系统下运行过程中，在ET200M站上带电拔出或插入模板，即热插拔功能。
高可靠性电源系统的热插拔原理和应用
高可靠性电源系统的热插拔原理和应用热插拔的工作原理热插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系统导电的工作状态下，将模组、卡或连接器插到系统上而不影响系统的操作。
图1所示为热插拔过程，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。
把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。
热插拔的目的是将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平。
其实现方法有几种，其中使用PTC（正温度系数的热敏电阻），是最简单的方法。
PTC依靠本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度，其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。
MOS管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，比较适于低端用途。
最好的方法是采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。
热插拔的实现如图2所示，是通过在供电与负载之间串联一个MOS管和一个电流检测电阻完成的。
电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。
接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中输出电流电压的情况。
图3中，左边图形是UCC3915的输出电流、输出电压、即时电容电压的波形，可以看到当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，开始计时；如果输出电流超过ITRIP并一直上升到IMAX（设定的最大值），由于此时 MOS 管工作在线性模式，将最大输出电流限制在这一水平而不让输出电流上升，因此输出电流就会被限制在IMAX。
另一方面，如果计时电容电压达到 1.5V，MOS管就会断开，输出电流下降到0。
基础科普 有源热插拔技术应用实例解析
基础科普有源热插拔技术应用实例解析热插拔技术目前在个大行业中都得到了广泛的应用，有源热插拔技术更是在智能硬件以及智能产品领域成为了研发首选。
这种新型的热插拔技术在实际应用过程中是如何实现其保护功效的？又是如何对浪涌电流进行管理和控制的呢？在今天的文章中，我们将会为大家进行实例解析。
就热插拔的应用要求来看，通常情况下应用这种技术的前提条件，都是要求使用带电子驱动的功率FET来控制浪涌电流。
有很多IC都能驱动功率FET，其中一些IC能够通过对浪涌电流的限制来控制负载上的电压斜率。
如果负载电容已知并在负载阻抗中占支配地位，则控制电压斜率可很好地控制浪涌电流。
但如果通过这种方式对浪涌电流进行控制，那幺设计人员就必须针对所期望负载电容对每一实现的斜率进行优化。
这些能够驱动功率FET的IC中，常常包含带电流限制的电流检测电路（即限流电路）、开/关负载的逻辑输入以及报告负载状态的逻辑输出。
限流电路在IC系统中的作用，就如同带可控响应时间及精确启动电流的电路断路器。
当负载电流超过预编最大值时，IC就会将负载断开。
如果在负载接通期间出现过电流，则由过电流所产生的浪涌最小，因为电流限制会随电源升高而将浪涌箝住。
但如果在负载接通摆动结束、且功率FET完全打开后出现过电流，则仍有可能出现高浪涌，因为故障出现需要一定的延时、且对功率FET栅极电容放电也需要一定的时间。
目前在智能产品的设计领域中，最通用的有源热插拔方法是直接使用一个线性电流放大器来控制负载电流，以此来实现热插拔，并实现对产品内部文件的保护作用。
线性电流放大器LCA结合定制高增益放大器与电流检测来驱动功率FET，能够实现对浪涌电流的有效控制。
当带有LCA的系统中插入或。
热插拔控制器在直流升压电路中的设计应用
热插拔控制器在直流升压电路中的设计应用设计了一种利用热插拔保护控制芯片，实现直流升压电路的输出过流、短路保护。
本文分析了直流升压电路以及热插拔保护电路的工作原理及实现方式，详细介绍了电路及参数设计、选择过程，以及实际工作开关波形，并给出了设计实例。
实验证明，利用热插拔保护控制芯片，有效地避免了常规直流升压电路在输出过流短路时的固有缺陷，提高了电源使用的可靠性。
0 引言热插拔保护电路通常用于服务器、网络交换机、以及其他形式的通信基础设施等高可用性系统。
这种系统通常需要在带电状态下替换发生故障的电路板或模块，而系统照样维持正常运转，这个过程称为热插拔(Hot Swapping)。
本文将阐述热插拔控制器的另一种用法，利用热插拔保护电路具有的过流和短路保护功能，解决开关直流升压电路的输出端保护问题。
1 开关直流升压电路的基本原理开关直流升压电路(The Boost Converter 或者Step-up Converter)，是一种开关直流升压电路。
输出电压高于输入电压，输出电压极性不变，基本电路开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存;开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。
输出过流时，电路会采样开关管的峰值电流，减小占空比，导致输出电压下降。
当输出电压降到输入电压时，过流保护不再受控，保护失效。
另外输出过流点还会随着输入电压升高而变大。
当输出短路时，输入电源会通过电感、升压二极管形成短路回路，导致电源故障。
BOOST 电路还有一个缺陷是不方。
热插拔控制器的应用
热插拔控制器的应用“热插拔”是指将板卡从加有电源的主机（背板、服务器等）上插入或拔出,主要应用在基站、磁盘冗余阵列（RAID）、远程接入服务器、网络路由路、网络交换器以及ISDN 等系统。
当板卡插入主机时,主机已处于稳态工作状态,所有电容均被充满电,而待插入的电路板是不带电的,板卡上的电容没有电荷,因此,当板卡与主机背后板接触时,由于板卡上的电容的充电而将从主机电源吸入较大的瞬态电流;同样,当把带电的板卡拔出主机时,板卡上旁路电容的放电在板卡与带电背后板之间形成了一条低阻通路,也将产生较大的瞬态电流。
较大的电流会导致连接器、电路元件、电路板金属连线（迹线）等部件或器件的损坏,也可能使背板电源出现瞬时跌落,从而导致系复位。
目前,针对上述应用新推出的热插拔保护器件有许多,Maxim 公司的MAX4273 系列产生就具有双速/双电平检测功能,可为热插拔应用提供一套有效的控制和保护解决方案。
1 MAX4273 的内部结构与功能MAX4273 的内部电路如图1 所示,它包括：电荷泵、低速比较器、高速比较器、欠压/过压检测电路、逻辑控制器等。
电何泵用于外部N 沟道MOSFEY 的栅极提供驱动电压,低速比较器和高速比较器用于提供双速/双电平过载或故障电流检测,低速比较器的响应时间由外部电容器设置,可设置范围从20μs至几秒, 电压检测门限固定为50mV,对于幅度较低的瞬态过载电流,低速比较器没有响应,不受电源电压微小波动以及噪声的影响。
当器件检测到过载电流时间超出所设置的响应时间时,则认为系统发生故障,这时MOSFET 的栅极开始缓慢放电,最终将MOSFET 断开,放电速率由N 沟道MOSFET 的栅极电容和外接电容决定。
高速比较器的响应时间固定为350ns。
电压检测门限可由外部电路RTH 设置。
可设。
不一样的热插拔(hot swap)控制器
电渍设计人员在选择一个舍适的ＦＥＴ时通常都认 为只要该旺Ｔ能抵受Ｄｃ电流负载和最大输＾电压便足 够。但如果当问题发生在控制器而该控制器又是唯 一可控制电流的组件时此类控制器在任何的操作条 件下鄙无法确保ＦＥＴ处于安全操作范围ｃｓＯＡ）内。本 文将比较两种控制器一种仅具备电流限制的控制能 力 而另一种别是同时拥有功率和电溃限制控制能力 的热插壤控制器例如美国国家半导体的ＬＭ５０６９。 文中将展示不管在正常工作或者是短路故障情形下 只要将电漶和功率限制的功能结集一起就能够确保 ＦＥＴ在ｓ０Ａ的范围内、
０
、、：：ｔ、
结论
具备电流限制能力的热插拔控制器可提 供可靠性甚至可防止Ｆ盯出现严重故障．为 了防止阼Ｔ超出ｓ０Ａ范围用户需要选用比较 大型的ＦＥ Ｔ和散热器以便得到可靠的故障保 护：ＬＭ５０６９结台了具有编程能力豹功率及电 流陬制能力 所以无需使用大型的外建ＦＥ＿ 社能把ＦＥＴ摊持在ｓｏＡ的安全范围内，ｑ
能量极限。
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在ｓ０＾曲线上可
万方数据
钆ｒｒｅｍ ａｎｄ Ｐｏ…ＬＩｍｌＩ ＣＯｎｎＩ＆ｓａｂ Ｏ坤ｆａ＿ｎ口＾ｍ自
以外。倒立口假如系统的 背板电压是５。Ｖ电流限
制设置威５＾和鲁程故障 时间为４０ｍｓ时输出短
路便可能导致ＦＥＴ的操作
脱离ｓＯＡ范围（萤３中的红 线｝。
图４中的蓝色曲线表
万方数据
撇批技术
附晕１ ＬＭ５０６９庄用电譬捱
附录２：ＬＴ４２５６应用电置板
：目 ｉ２ ｇ
万方数据
模拟技术
热插拔控制器
不一样的热插拔控制器(图)作者：美国国家半导体公司 Neil Gutierrez 日期：2008-5-13 来源：本网热插拔的定义是在带电运行的背板中插入或移除电路板。
热插拔技术已被广泛应用到电信服务器、USB接口、火线(firewire)和C 背板的电压下，更换发生故障的电路板，并保证系统中其他正常的电路板仍可保持运作。
在工作中的背板上进行热插拔时，最大的造成一个低阻抗路径，从而引发大的浪涌电流。
浪涌电流可以损毁电路板上的电容、导线和连接器。
此外，系统电压亦可能会因浪使得其他连接着背板的电路板也无故重置。
热插拔控制器通过控制一个外加FET(见图1)来限制浪涌电流。
此外，这个控制器可在输出短路到接地或发生大型负载瞬变的情况时，通常都认为只要该FET能抵受DC电流负载和最大输入电压便足够。
可是，如果控制器发生故障并且该控制器又是唯一可控制电作条件下都不能确保FET处于安全运作范围(SOA)内。
本文将比较两类控制器，一类只具备有电流限制的控制能力，而另一类是可同插拔控制器，如美国国家半导体的LM5069。
图1 LM5069热插拔控制器控制器图1所示为LM5069热插拔控制器。
当浪涌电流流经传感电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器只会容许一个预定的最大电压通过电压值时，控制器便会调整栅极电压，使其维持最大值电流一定的时间。
电流限制所容许的最长时间取决于故障检测电流、故障阈值和引脚来编程。
一旦TIMER到达故障的阈值，控制器便会关闭栅极，同时输出会脱离系统的输入电压。
系统欠压和过压会分别经由测。
这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是高出欠压阈值或低于过压阈值。
假如输入电压在指定范围以外，那栅极便会关电源正常引脚(PGD)是一个开放漏极输出。
当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开放漏极下拉器件便会被关闭，而PGD会上签下游电路以表示VOUT电压“正常”。
PWR引脚上的电阻会决定通过FET的最大功率极限。
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热插拔简介
为什么要使用热插拔？ 使用热插拔时会碰到什么问题呢？
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为什么要使用热插拔？
• 使用热插拔可以实现在背板不必关机的情况下对背板上的故障板卡设 备进行替换，从而减少整个系统的故障停机时间，保证系统能够连续 稳定的长时间运行
© 2007 National Semiconductor Corporation
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热插拔控制器及其应用
专用热插拔控制器能帮我们解决些什么问题？ 通常热插拔控制器是怎样应用的？
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热插拔控制器的功能
• 热插拔控制器用来实现对浪涌电流的控制，保证热插拔时背板 、插拔 设备的安全以及背板上其 他设备的正常工作
• 两个可编程的限制 – 外接 MOSFET 的最大允许电流限制 Ids，限制浪涌电流的最大值 – 外接 MOSFET 的最大允许功耗限制 Plimit，保护 MOSFET 工作在 SOA 区域 • 由最大允许功率限制 Plimit 决定的电流限制为: Ilimit= Plimit/ Vds • 实际情况中随着 Vds 的变化，流过 MOSFET 的电流最大值由 Ids 和 limit 中较小的者决定
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LM5069 的 MOSFET 栅极驱动
• 芯片内部集成驱动外接 N 沟道 MOSFET 的栅 极驱动电路和所需的电 荷泵 • 上电初始时，门极驱动 为 100mA 下拉恒流 源，防止设备插入背板 瞬间由于外接 MOSFET 的栅漏极电 容造成其误导通
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热插拔的问题
• DC/DC 模块通常具有很大的输入电容，当模块插入背板时输入电容提 供了一个初始的低阻抗回路 • 直接将模块插入带电背板会造成巨大的浪涌电流
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热插拔的问题
• 巨大的浪涌电流有可能损坏接插件、导线和模块的输入电容 • 更重要的是浪涌电流会造成背板供电电压的瞬间跌落，使背板上其他 设备复位而不能正常工作
IRF8010 100V 80A N-CH MOSFET D2PAK 封装
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采用恒流限制的热插拔
• 10A 恒流限制，负载电容 1000uF - Ids = C * dV/dt-> 10A = 1000uF * 80V/dt dt= 8ms - 10A 电流脉冲将持续 8 ms - 电路刚开始工作时 Vds 为 80V Ids 为 10A，MOSFET 工 作在 SOA 以外，将会被损 坏
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MOSFET 的安全运作范围 (SOA)
使用热插拔控制器和外接 MOSFET 可以限制热插拔 时的浪涌电流并保护后级设备。但 MOSFET 本身也需 要保护。MOSFET 的安全运作范围 (SOA) 曲线给了 我们怎样保护外接MOSFET 的信息。
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MOSFET 的 SOA 曲线
80W 恒功率限制 10A 恒流限制 功率限制和电流 限制都采用
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采用电流限制和功率限制的热插拔
• 80W 功率限制，10A 电流限制负 载电容 1000uF - Ids * Vds= 80W 并且 Ids 最大值为 10A - 电路刚开始工作时 Vds 为 80V Ids 为 1A - Vds< 8V 时，Ids 为 10A - MOSFET 始终工作在 SOA 以 内并且输入电流最大值不会 超过 10A
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LM5068 的内部定时器
• 多功能定时器。 • 上电时延迟一定时间启 动，避免热插拔时输入 电压的抖动影响芯片正 常工作。 • 过流信号必须持续一定 时间才进入过流保护， 避免由噪声引起的误动 作。
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LM5068 上电时的波形
ENABLE
Vcc UV PWRGD
Cload
LM5068
OV TIMER VeeSENSE
10
LOAD
GATE
Ct Rs
Cc Q1
典型应用电路
封装: MSOP-8 和 LLP-8 (3 x 3 mm)
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LM5068 的内部框图
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LM5068 的欠、过压保护
• 具有输入欠压和过压保护功 能，保护阈值可通过外接电 阻编程设定。 • 进入保护和退出保护的阈值 可以存在一个滞环宽度，防 止过、欠压保护的频繁动 作。滞环宽度也可通过电阻 编程。
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LM5069 的过、欠压保护和定时器
• 上电延迟启动，避免热插拔时输入电压的抖动影响芯片正常工作 • 过流信号必须持续一定时间才过流保护，避免噪声引起的误动作 • 可编程的欠、过压阈值和相应的滞环宽度
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LM5069 如何限制外接 MOSFET的 电流大小
IRF8010 100V 80A N-CH MOSFET D2PAK 封装
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LM5068 负电压热插拔控制器
LM5068 பைடு நூலகம்美国国家半导体推出的一款用于 负输入电压场合的热插拔控制器，输入电压 范围为－10V ～－ 90V
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LM5068 负电压热插拔控制器
GND 特点： • 设备从带电背板上安全热插拔 • -10V 至 -90V 输入电压范围 R1 • 可编程欠压和过压保护 R2 • 可编程欠压和过压保护滞回 • 可编程多功能定时器 R3 • 过流保护响应迅速 • 上电初始化时有源电流限制 -48V • 发生保护后芯片锁死或者重试 • Power Good 具有高电平有效和 低电平有 效两种版本 • 过热关机保护
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负电压热插拔应用原理图
GND
ENABLE
Vcc UV PWRGD
热插拔控制器
OV TIMER VeeSENSE GATE
Cload
LOAD
-Vee
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Vds：25V/div Ids：0.5A/div
恒流限制
Vgs：5V/div
Pmosfet：25/div
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LM5069 正电压热插拔控制器
LM5069 是美国国家半导体推出的一款用于 正输入电压场合的热插拔控制器，输入电压 范围为＋9V ～＋ 80V
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热插拔控制器的功能
• 热插拔控制器能够实现故障设备 和背板的隔离，并能提供相应的故障 指示 • 如果设备故障自动消失（例如设备被短路后又恢复正常），热插拔控 制器可以重新使能设备
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LM5068 的电流检测和门极驱动
• 电流采样信号 Vsense 小于 50mV ，正常工作 • 50mV<Vsense <100mV ，芯片处于电 路断路控制保护模式， 延迟一段时间后门极输 出信号关断 • 100mV<Vsense <200mV ，芯片处于有 源电流限制模式，通过 控制门极电压使流过 MOSFET 的电流为恒定 值 100mV / Rs ，并延 迟一段时间关断门极输 出信号
• 限制热插拔时的浪涌电 流 • 浪涌电流大小由设定的 MOSFET 最大允许功 耗或设定的最大允许电 流限制 • MOSFET 最大允许功 耗由 PWR 引脚编程 • Power Good 信号输出 • 具有电路断路控制，实 现负载过流保护
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LM5068 的电流检测和门极驱动
• Vsense>200mV ，芯 片处于快速放电模式， 通过对门极电容迅速放 电，使流过 MOSFET 的电流迅速下降到 100mV/Rs ，并维持此 电流大小一段时间后关 断门极输出信号 • 芯片初始工作对负载电 容充电时处于有源电流 限制模式，流过 MOSFET 的电流为恒流 100mV/Rs ，属于恒流 限制
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LM5069 正电压热插拔控制器
特点： • 设备从带电背板上安全热插拔 • +9V 至 +80V 输入电压范围 • 可编程外接 MOSFET 最大电流 限制 • 可编程外接 MOSFET 最大功率 限制 • 内部集成驱动外接 MOSFET 的 电荷泵 • 可编程欠压和过压保护和滞回 • 可编程多功能定时器 • 过流保护 • 上电时延时启动，有效避免热 插拔时的抖动
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