电信热插拔参考设计有效解决输入瞬间过压及掉电问题.
基于JW7221的通信电源热插拔保护电路设计
基于JW7221的通信电源热插拔保护电路设计
蒋国庆;王晖;冯宇飞;刘华
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2024(37)4
【摘要】通信电源在进行热插拔维护作业时,会产生浪涌电流冲击和母线过欠压问题,为保证后级通信设备能够不间断稳定运行,电源供电背板应具有热插拔功能,避免因浪涌电流和异常母线电压对下游元件和线路造成冲击和烧毁。
为此,设计了一种基于JW7221的热插拔保护电路,其集成了热插拔功能、交直流输入切换、输入防反接保护、输入过/欠压保护、输入过电流保护、MOSFET功率保护及自动重启功能。
通过样板测试验证了该热插拔保护电路设计的正确性和有效性,可有效提高通信设备的可靠性和快速维修性。
【总页数】4页(P146-148)
【作者】蒋国庆;王晖;冯宇飞;刘华
【作者单位】天津农学院工程技术学院;蓝天太阳科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.带功率因数校正器和热插拔功能的通信电源
2.德州仪器最新集成热插拔电源管理控制器满足新一代无线、计算与通信系统要求
3.基于TPS2491的热插拔保护电路
设计4.模块化电源保护电路设计--谈DC-DC模块电源相关保护电路设计的问题5.电信系统实用可热插拔电源模块接口电路设计
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
低速信号热插拔保护电路设计方案
低速信号热插拔保护电路设计方案低速信号热插拔保护电路设计方案一、背景•近年来，随着电子产品的快速发展，低速信号的应用越来越广泛。
•低速信号热插拔时容易产生电压尖峰、静电击穿等问题，需要进行保护。
二、问题分析•低速信号热插拔过程中存在以下主要问题：1.电压尖峰：插拔时产生的短暂高电压会对接口电路造成损害。
2.静电击穿：插拔时产生的静电会导致电路元件受损。
3.信号干扰：插拔动作会引起信号干扰，对传输质量造成影响。
三、设计方案•为了解决低速信号热插拔的问题，提出以下设计方案：电压尖峰保护•采用电容器并联保护电路，以吸收电压尖峰。
•选择合适的电容器，使其能够快速充放电，有效限制电压尖峰的幅值。
•将保护电路并联到信号线上，以提高抗干扰能力。
静电击穿保护•在接口电路中加入静电保护二极管，以限制静电暂时放电电流。
•选择合适的二极管参数，使其能够快速反应，有效保护电路元件。
•使用细金属丝或电阻连接二极管的两极，以加强保护效果。
信号干扰抑制•在插座和插头之间增加金属屏蔽罩，以避免外部信号的干扰。
•确保金属屏蔽罩与地线连接良好，以降低信号干扰的发生概率。
•选择合适的屏蔽材料，使其能够有效吸收和屏蔽外部信号。
四、实施方案•根据以上设计方案，进行电路的布局和连接。
•选择合适的元件和材料，确保设计方案的可行性。
•进行实验验证，优化设计方案。
五、总结•通过采用电压尖峰保护、静电击穿保护和信号干扰抑制等措施，可以有效解决低速信号热插拔过程中的问题。
•此方案可用于各种低速信号接口，提高了设备的稳定性和可靠性。
六、风险与挑战•在实施方案时，可能会面临以下一些风险与挑战：1.元件选择：选择合适的电容器、二极管和屏蔽材料是确保方案有效的关键。
2.花费：一些高品质的保护元件和材料可能会增加成本。
3.实验验证：在实验验证过程中，可能会遇到电路不稳定、信号干扰等问题。
七、未来展望•随着技术的不断进步，对低速信号热插拔的保护需求会进一步增加。
热插拔过压过流 -回复
热插拔过压过流-回复热插拔过压过流是电子设备中常见的故障问题，也是我们在日常生活中常常遇到的问题之一。
本文将从热插拔、过压和过流三个方面逐步解释这些问题，并提供解决方案。
首先，热插拔是指在设备工作状态下进行设备插入或拔出操作。
在现代化的电子设备中，热插拔功能是为了方便用户在设备工作状态下更换或添加插件或模块。
然而，热插拔操作可能导致设备内部电路短路或过载，从而引发电器火灾事故。
因此，正确的热插拔操作十分重要，以避免安全隐患。
进行热插拔操作时，首先要确保设备处于关闭状态。
关机后，将设备插头从电源插座中拔出。
对于插件或模块的插拔，需要先确保设备与电源之间没有电流流动，也就是设备的电源指示灯熄灭。
然后按照设备说明书或产品标签上的图示或文字指导进行插拔操作。
在插拔操作中要遵循插头与插座相对深度适配的原则，确保插头与插座之间的金属接触良好。
成功插入后，应该能够感觉到插头与插座之间的卡扣卡紧，确保稳定连接。
接下来，我们来探讨过压问题。
过压是指电路电压超过设备设计或允许的最大工作电压。
过压情况一旦发生，会导致设备内部电路元件短路、烧毁或甚至起火。
过压可能是由电力系统的突发电压上升、雷击、接地故障等各种因素引起的。
为了防止设备受到过压的损害，可以采取以下措施：1. 安装过压保护设备：在电源输入端或设备内部添加过压保护装置，可限制输入的电压在设备所能承受的范围内。
2. 使用稳压电源：通过选择带有稳压功能的电源，可以保证设备所需的电压在稳定范围内，从而避免过压问题。
3. 避免雷电伤害：在电气设备周围设置避雷装置，避免雷电对设备的直接击中或感应引起的过压。
最后，我们来谈谈过流问题。
过流是指设备电流超过其设计或额定工作电流的情况。
过流可能是由于负载突然增加、电路损坏、短路等问题引起的。
设备在过流情况下会受到严重破坏，甚至引发火灾。
为了避免过流问题，可以采取以下解决方案：1. 定期检查电路：定期检查电路的连接情况，排查损坏的电线、插座或接插件。
工程技术基础-热插拔知识详解及案例分析
目录第一章热插拔概述 ----------------------------------------------------------------------------------- 21.1历史-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21.2热插拔常见问题 ---------------------------------------------------------------------------------------- 2第二章热插拔导致的闩锁效应及其防治 -------------------------------------------------------- 42.1闩锁效应及其机理------------------------------------------------------------------------------------- 42.2闩锁的产生条件 ---------------------------------------------------------------------------------------- 62.3闩锁的常见诱发原因---------------------------------------------------------------------------------- 62.4热插拔诱发闩锁的原因分析 ------------------------------------------------------------------------ 62.5闩锁的预防措施 ---------------------------------------------------------------------------------------- 7第三章热插拔导致的静电问题及其防治 -------------------------------------------------------- 83.1静电产生 ------------------------------------------------------------------------------------------------- 83.2静电放电失效机理------------------------------------------------------------------------------------- 9第四章热插拔导致的浪涌问题及其防治 ------------------------------------------------------- 114.1浪涌说明 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 114.1.1概念 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 114.1.2产生原因---------------------------------------------------------------------------------------- 114.1.3影响 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 124.2浪涌防治 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 134.2.1交错引脚法------------------------------------------------------------------------------------- 134.2.2热敏电阻法------------------------------------------------------------------------------------- 144.2.3单芯片热插拔控制器 ------------------------------------------------------------------------ 15第五章总线热插拔 ---------------------------------------------------------------------------------- 175.1 I2C总线热插拔---------------------------------------------------------------------------------------- 175.2 I2C总线热插拔案例 --------------------------------------------------------------------------------- 185.3 74LVT16245在总线热插拔中应用 --------------------------------------------------------------- 195.5扩展知识CompactPCI总线热插拔------------------------------------------------------------- 21第六章热插拔最新解决方案-数字热插拔芯片 ------------------------------------------------ 246.1热插拔芯片的理念------------------------------------------------------------------------------------ 246.2典型应用框图 ------------------------------------------------------------------------------------------ 24第一章热插拔概述1.1历史热插拔（hot-plugging或Hot Swap）即带电插拔，是指将设备板卡或模块等带电接入或移出正在工作的系统，而不影响系统工作的技术。
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。
理解热插拔技术：热插拔保护电路设计过程实例
理解热插拔技术：热插拔保护电路设计过程实例作者：Marcus O’Sullivan引言服务器、网络交换机、冗余存储磁盘阵列(RAID)，以及其它形式的通信基础设施等高可用性系统，需要在整个使用生命周期内具有接近零的停机率。
如果这种系统的一个部件发生了故障或是需要升级，它必须在不中断系统其余部分的情况下进行替换，在系统维持运转的情况下，发生故障的电路板或模块将被移除，同时替换部件被插入。
这个过程被称为热插拔(hot swapping)(当模块与系统软件有相互作用时，也被称为hot plugging1)。
为了实现安全的热插拔，通常使用带交错引脚的连接器来保证地与电源的建立先于其它连接，另外，为了能够容易的从带电背板上安全的移除和插入模块，每块印制板(PCB)或热插拔模块都带有热插拔控制器2。
在工作状态下，控制器还可提供持续的短路保护和过流保护。
尽管切断或开启的电流会比较大，但大电流设计的一些微妙之处却常常未得到充分的考虑。
“细节决定成败”，本文将重点分析热插拔控制电路中各部件的功能及重要性，并深入分析在设计过程中使用ADI公司ADM11773热插拔控制器时的设计考虑和器件选型标准。
热插拔技术常用的两种系统电源电压为-48 V和+12 V，它们使用不同的热插拔保护配置。
-48 V系统包含低端热插拔控制器和导通MOSFET；而+12 V 系统使用高端热插拔控制器和导通MOSFET。
-48V方案来源于传统的通信交换系统技术，如高级通信计算架构(ATCA)系统、光网络、基站，以及刀片式服务器。
48 V电源通常可由电池组提供，选用48 V是因为电源及信号能被传输至较远的距离，同时不会遭受很大损失；另外，在通常条件下，由于电平不够高，所以不会产生严重的电气冲击危险。
采用负电压的原因是，当设备不可避免的暴露在潮湿环境中时，在正极端接地的情况下，从阳极到阴极的金属离子迁移的腐蚀性较弱。
然而，在数据通信系统中，距离并不是重要因素，+12 V电压会更加合理，它常用于服务器及网络系统中。
热插拔抑制电路
热插拔抑制电路是一种用于防止热插拔过程中可能产生的电流浪涌和电压突变的电路。
热插拔是指在电路运行时插入或拔出电子器件（比如插卡、USB设备、热插拔硬盘等）的过程。
这种操作可能会引起突发的电流冲击或者电压不稳定，从而对其他电子器件造成损坏或干扰。
为了解决这个问题，热插拔抑制电路通常包括以下一些功能和特性：1. 电压稳定器：在热插拔过程中保持稳定的电压输出，防止因电压不稳定而影响其他设备的正常工作。
2. 电流限制器：限制热插拔过程中的电流浪涌，防止对其他设备产生过大的电流冲击。
3. 过压保护和过流保护：监测输入电压和电流，一旦超出设定范围就及时切断电路，防止造成损坏。
4. 脉冲抑制：通过特定电路设计，抑制瞬时脉冲，确保主电路的稳定。
热插拔抑制电路的设计需要考虑电子器件的特性、工作环境和接口标准，以确保对插入或拔出操作的快速响应和保护作用。
这些电路通常用于各种热插拔设备，以确保系统的稳定性、可靠性和安全性。
在设计热插拔抑制电路时，还可以考虑以下因素：1. 设备电流和电压不同的设备在插入和拔出过程中所需的电流和电压可能是不同的，因此需要为每个设备计算出所需的电流和电压，然后设计抑制电路来满足这些要求。
2. 阻抗匹配热插拔操作可能导致输入和输出端口之间的阻抗不匹配，这可能导致信号反射，并对系统的稳定性和可靠性产生不利影响。
因此，抑制电路需要考虑阻抗匹配问题，以确保信号传输的有效性。
3. 输入/输出电容输入和输出电容对于传输数据、功率和信号保持恒定电压很重要。
在设计热插拔抑制电路时，需要考虑电容的大小和类型，以确保插入和拔出设备时电容的稳定和可靠性。
综上所述，热插拔抑制电路是一种不可或缺的电路，能够防止插入或拔出设备时产生的电流和电压冲击对系统造成损坏。
适当地设计和实施热插拔抑制电路，可以提高系统的性能和可靠性。
带有热插拔功能的冗余电源设计
电源与节能技术电力供应1叶片电力供应2 2023年9月25日第40卷第18期121 Telecom Power TechnologySep. 25, 2023, Vol.40 No.18史志伟：带有热插拔功能的冗余电源设计靠背的方式连接的MOSFET ，系统检测发现过压情况之后，控制器会自动关闭MOSFET 栅极，并发出PG 信号，表明出现过压情况，若过压超过正向主体二极管电压，电源会向负载供应更高的电压方向流去，PG 状态输出发出信号，促使系统自动关闭已经失效的电源[3]。
采用并联方式连接的MOSFET ，其参数数据与相同部件号的器件之间存在差异，在冗余电源运行时容易出现负载不均衡的情况，且电源开启时会出现更明显的不均衡的情况[4]。
这就需要考虑MOSFET 因素，查询MOSFET 参数安全工作区，控制每个MOSFET 支持几十微秒负载[5]。
3.3 热插拔功能冗余电源设计的测试验证电源测试验证参数较多，设计人员列出较为重要的测试项目与结果。
在测试时，系统采用交/直流电的方式，在背板上合路2个电源单板的12 V 直流输出，以电子负载产生负载电流，并采用万用表、示波器检测搜集数据。
检测时，以不同电子负载产生不同负载电流，分别对交流电源板、直流电源板的电压V GS 进行测试，以此反映负载电流I D ，利用测试背板的输出电压计算负载调整率，得到测试结果如表2表2 基于不同背板负载电流的测试数据背板负载电流/A交流电源板MOS 管V GS 电压直流电源板MOS 管V GS 电压/V背板电压/V 01.590.0012.1122.292.1512.0142.372.2812.0062.442.3611.9882.522.4311.95102.612.5011.93122.692.5611.93142.812.6311.91162.972.7211.89所示。
表2内数据可知，随着负载电流的增加，电压V GS 逐步增加，通过MOS 管的负载电流也在逐渐增加，可以根据0～16 A 的电流负载数据，计算负载调整率为1.9%，小于电源模块产品手册中标称最大值，电路运行性能良好。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电信热插拔参考设计有效解决输入瞬间过压及掉电问题
概述典型的电信系统必须能够满负荷工作在-36V至-72V两个电压源，另外还必须提供雷电感应、高压脉冲以及输入电压在几毫秒内跌落到0V情况下的保护措施。
可插拔线卡通常包含一个从高压到低压的DC-DC转换器，该转换器带有热插拔保护电路。
当线卡带电插入一个背板时，该电路可以限制浪涌电流，使其略高于满负荷电流。
板上滤波电容充满电后，热插拔电路还必须提供一个电源就绪信号(/PGOOD)，以开启后续的DC-DC转换器。
本文详细介绍了对热
概述
典型的电信系统必须能够满负荷工作在-36V至-72V两个电压源，另外还必须提供雷电感应、高压脉冲以及输入电压在几毫秒内跌落到0V情况下的保护措施。
可插拔线卡通常包含一个从高压到低压的DC-DC转换器，该转换器带有热插拔保护电路。
当线卡带电插入一个背板时，该电路可以限制浪涌电流，使其略高于满负荷电流。
板上滤波电容充满电后，热插拔电路还必须提供一个电源就绪信号(/PGOOD)，以开启后续的DC-DC转换器。
本文详细介绍了对热插拔电路的要求。
大部分要求与AdvancedTCA® (ATCA®)一级热插拔电路相同。
典型电信系统要求
输入电压范围：-43V至-72V
输入采用双二极管“或”逻辑
-32V至-36V关闭(二极管之前的电源)
80W (最大)输入功率，CLOAD = 680µF
耐压-150V，1ms过压脉冲¹
掉电支持，0V，从-43V输入电压开始16ms的瞬时掉电；在此期间/PGOOD必须保持低电平
43V启动时，浪涌电流≤ 1.5倍满负荷电流
参考设计特性和考虑
欠压闭锁(UVLO)上升门限可以设置到~43V，过压闭锁(OVLO)上升门限可以设置到≥ 72V。
安装在输入端的两个100V肖特基二极管实现两个独立电源的“或”逻辑。
UVLO下降门限可以设置到~32V，必须满足电信系统规范第6项，电压降低UVLO 下降门限时，/PGOOD保持有效，系统保持正常工作。
VIN = 43V时PIN= 80W，输入电流为1.86A。
对于U1、C3、C4和Q2，70V TVS二极管能够将输入电压钳位在一个安全电平。
这个二极管可以直接跨接在输入端，或MAX5921热插拔控制器的VDD–VEE引脚，并且串联一个5Ω电阻与VIN隔离。
从43V到32V跌落的16ms时间内，储能电容(C3)存储足够的能量支持80W负载的供电。
该电容通过一个电阻充电，以限制充电电流，使其保持在电信系统规范第7项中规定的输入浪涌电流的一小部分。
放电期间，肖特基二极管旁路这个充电限流电阻。
断路器最低触发门限可选，容许在43V时设置为2.8A，150%启动浪涌电流，电压低至32V时，保持2.5A满负荷工作。
电信热插拔参考设计
电信热插拔参考设计采用MAX5921热插拔控制器，如图1所示。
图1. MAX5921电信参考设计原理图
启动特性
ULVO上升电压门限由分压电阻² (R1+R2):R3设置为：
虽然输入UVLO上升开启门限由分压比(R1+R2):R3设定，输入UVLO下降关闭门限由分压比R2:R3设定。
因为启动期间，一旦产生输出电压，Q2会短接至R1。
输入电压缓慢上升到UVLO升压门限时，会产生图2所示波形。
这种情况发生在：
VIN - VS1 = VIN - VEE + VF(D1) ≈ 42.4V
栅极电压升至中间值，控制输出电压的摆率为 2.2V/ms，以此限制输出电容(C4)的充电电流。
输入电流(IC4+ IC3)峰值为1.75A。
当VOUT达到它的最终值，输入电流降至充电电流(IC3)。
图2. VIN上升时的导通特性
通过选择C2可以控制启动时的输入浪涌电流。
由此，浪涌电流限制在≤ 1.5倍的启动电流(43V输入时，1.86A)。
较小的C2会增大浪涌电流。
比如，如果C2 = 12nF，IINRUSH = 2.55A，接近所要求的
2.8A。
图2所示为输入浪涌电流。