為了實(shí)現越來(lái)越小的占板面積需求，采用的元器件也變得越來(lái)越少。面對更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，工程師不得不想方設法簡(jiǎn)化設計。MPS 最新推出的一款集成PMBus 接口的熱插拔解決方案 MP5023，為工程師提供了一種創(chuàng )新的解決方案，助力其應對上述設計挑戰。 

 

熱插拔過(guò)程 

 

與許多通信基礎架構一樣，高可用性和高可靠性是數據中心系統設計的關(guān)鍵要素?？刹灏文K和PCB（例如服務(wù)器和存儲設備）在電源接口需要采用保護和控制電路?？刹灏文K和PCB（例如服務(wù)器和存儲設備）在電源接口需要采用保護和控制電路。通常將此電路稱(chēng)之為熱插拔控制電路。想要了解熱插拔控制電路對系統的作用，首先需了解熱插拔動(dòng)作前后系統狀態(tài)的變化。圖 1 顯示的主機系統背板起初為完全通電狀態(tài)。在帶電系統中，所有的大容量電容和旁路電容都已充滿(mǎn)電。將未充電的板卡插入帶電系統，會(huì )快速為板卡充電并對帶電系統進(jìn)行放電。若對板卡的充電不進(jìn)行控制, 會(huì )需要非常大的浪涌電流; 而對系統放電電流不控制, 會(huì )大大降低

 

圖 1：電信系統中分布式電源架構示例

 

熱插拔解決方案可以很好地控制板卡的上電時(shí)序和管理系統的響應。當板卡插入連接器后，板卡與系統正確配對需要幾毫秒的時(shí)間。當板卡插入后，卡上電容開(kāi)始充電, 從帶電系統中吸收電流。一旦電容開(kāi)始充電，板卡類(lèi)似對地短路并出現非常大浪涌電流。這種浪涌電流對系統的要求很高，可能會(huì )導致系統電容放電以及系統電壓下降。熱插拔解決方案在不關(guān)閉系統電源的情況下，可以將卡/板插入或拔出, 而不影系統的正常工作。 

 

設計挑戰 

 

在服務(wù)器和存儲等應用中，熱插拔解決方案的特點(diǎn)通常包括：在插入和拔出過(guò)程中，對帶電電路板浪涌電流的安全控制；故障監控診斷和保護以及高精度的電氣（電壓，電流，功率）和環(huán)境（溫度）參數，以便在模擬或數字域中提供實(shí)時(shí)系統遙測。尤其在服務(wù)器機架中的一個(gè)線(xiàn)卡/板發(fā)生故障時(shí)，故障應與特定線(xiàn)卡/板隔離，并且不得影響系統背板或由該帶電背板供電的其他線(xiàn)卡/板。 

 

防止系統停機的最好方法是檢測、響應并盡快糾正潛在損壞故障。  

 

傳統的熱插換保護控制電路設計方法是使用分立元件。通常分立式熱插拔解決方案會(huì )包括一個(gè)控制IC、功率器件（如 MOSFET）、以及采樣電阻，用來(lái)管理背板和主板之間的功率流動(dòng)，防止發(fā)生故障并擾亂其他系統。此種方法可以實(shí)現基本的保護要求。但分立式解決方案的短板也是眾所周知的，比如：

 

● 元件使用量多，占版面積大。元件越多，系統的穩健性和可靠性就越受影響。

● 分立式方案的MOSFET沒(méi)有熱保護功能。在極端條件下，其熱設計通常會(huì )超出設備保護的安全工作區（SOA）限制。

● 故在PCB布局時(shí)需格外小心。工程師必須了解Kelvin電流采樣技術(shù)，才能正確精準地進(jìn)行電流監控和限流操作。

 

由于增加了系統的復雜性并且縮短了設計周期，設計資源變得更加緊缺，資源分配主要取決于開(kāi)發(fā)系統的關(guān)鍵知識產(chǎn)權。這通常意味著(zhù)只能在開(kāi)發(fā)后期才能關(guān)注電源。 

 

因為很難通過(guò)有限的電源設計專(zhuān)業(yè)知識來(lái)快速解決上述缺點(diǎn)，因此，越來(lái)越需要開(kāi)發(fā)出可靠的熱插拔解決方案。理想的熱插拔解決方案應該具備小封裝、高性?xún)r(jià)比、高可靠性以及采用最簡(jiǎn)單的設計等特質(zhì)。 

 

創(chuàng )新型解決方案 

 

與傳統的分立式解決方案不同，MPS研發(fā)的單片解決方案—MP5023 是一款16V熱插拔解決方案，它集成了MOSFET和采樣電阻以及一個(gè)可以處理50A電流的PMBus接口，并且所有元器件均集成在一個(gè)單獨的硅片中 （見(jiàn)圖2）。MP5023 采用小型 QFN(4mmx5mm) 封裝。

 

圖 2：MP5023 對比分立式熱插拔解決方案

 

MP5023 可以最大限度地減少外部元器件的使用數量，簡(jiǎn)化系統設計（見(jiàn)圖 3）。工程師僅需選擇正確的阻值來(lái)設置電流監控、限流功能和PMBus地址、以及用于軟啟動(dòng)和其他定時(shí)功能的正確電容數值即可。MP5023 還簡(jiǎn)化了PCB的布局問(wèn)題，優(yōu)化了IC封裝里的MOSFET和采樣電阻連接。它可以?xún)炔垦a償Kelvin采樣過(guò)程中的不完整性和誤差，大大節省了工程師的工作時(shí)間和精力。 

 

圖 3：MP5023典型應用電路

 

與分立式解決方案相比，MP5023 的優(yōu)勢在于其采用了先進(jìn)的單片制程，因此電流監控和限流精度得到了很好的控制。在各種溫度范圍內，它都能在10A至50A之間實(shí)現±1.5％的電流監控精度（見(jiàn)圖4）。 

 

集成的MOSFET能夠監控管芯上的溫度以便及時(shí)關(guān)閉MP5023。一旦芯片進(jìn)入過(guò)溫關(guān)斷保護，芯片會(huì )保持關(guān)閉狀態(tài)（鎖定保護）或在結溫降至過(guò)溫保護閾值以下后嘗試重新啟動(dòng)（自動(dòng)重啟）。PMBus會(huì )監控并讀取芯片溫度。因此，工程師無(wú)需過(guò)多地設計MOSFET和熱保護，即可在極端故障條件下將器件保持在SOA限制內。

 

圖 4：IMON 增益精度對比輸出電流和溫度 

 

MP5023 含有一個(gè)PMBus接口且能兼容PMBus 1.3標準，可以提供簡(jiǎn)單而靈活的配置方式、電路板和準確的系統控制，以及具體而精確的監控和遙測技術(shù)。PMBus接口還可以對一些參數進(jìn)行編程，如電壓、電流、溫度和故障參數，并能讀取和報告實(shí)時(shí)信息。而且還可以動(dòng)態(tài)調節這些參數。實(shí)時(shí)監控能夠全面了解方案的性能，讓工程師可以通過(guò)預測性分析來(lái)優(yōu)化系統的運行時(shí)間，并在需要修復時(shí)使用更多數據分析, 來(lái)最小化停機時(shí)間。 

 

結論 

 

將上述因素結合到諸如 MP5023之類(lèi)的熱插拔解決方案中，可以使系統運行適應當前的需求，既消除了重復的勞動(dòng)密集型活動(dòng)，又可以幫助工程師減少占板面積，加速產(chǎn)品上市。

 

 

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