基于LTC4218的热插拔设计解决方案

简介

随着为云服务的数据中心的速度和容量不断增长，需要通过背板电源提供电流，从而推动Hot Swap ™组件的性能界限。热插拔解决方案允许将板插入带电背板并从中移除，而不会干扰分配给其他板的电源。典型的热插拔解决方案使用一系列MOSFET来管理背板和电路板之间的电源流 - 防止故障和故障中断电源到系统的其他部分。

设计强大热插拔的挑战解决方案随着当前需求的增加而倍增负载电流为100A时，仅仅确定功耗要求已经不够了。设计人员必须密切关注MOSFET安全工作区（SOA），并了解多个检测电阻的开尔文电流检测技术。本文介绍如何使用基于LTC4218热插拔控制器的12V / 100A解决方案来解决这些问题。

12V / 100A热插拔设计

图1显示了LTC4218Hot Swap控制器管理电路板的电源，该电路板包含高达1000μF的旁路电容，可提供高达100A的负载电流，并热插入12V背板电源。

支持100A负载电流而不会在MOSFET M1和M2中产生过多功耗，这要求PG（电源良好）信号禁用负载，直到输出完全上电。通常，这是通过使用热插拔控制器的PG信号控制下游电路的RESET信号来实现的。在图1的电路中，如果启动期间有效负载电阻大于10Ω（PG为低电平时），则输出正常上电。如果在启动期间输出电阻很低（例如在输出短路故障期间可能发生），LTC4218会检测到这种情况并关闭串联MOSFET。

在启动期间，通过R4将LTC4218的ISET引脚拉低，直到PG信号转换为高电平，从而降低电路的电流限制阈值。 R4的3kΩ电阻将电流限制阈值降低至正常工作电流限值的约13％。任何在启动期间吸收额外电流超过该电平的故障条件都会导致TIMER激活并关闭MOSFET。 （相对较小的元件M3，M4，R6，R7和C4一起工作，以便在PG引脚拉低时有效地连接R4的3k电阻和接地之间的电阻。）

启动时的输出斜率 - 上升由LTC4218的24μA上拉电流设置到C1和MOSFET M1和M2的栅极。结果是输出斜坡率为2V / ms。由于PG信号禁用负载电路，启动时的电流专用于为热插拔电路下游的电容充电，如图1中的C6所示。以2V / ms的速率斜升1000μF的电容需要1000μF•（ 2V / ms）= 2A电流。这远低于R4在16A或正常工作电流限值的13％设定的启动电流限制阈值。这允许在电流感测中存在大量不准确的余量。在启动期间即使短时间超过此电流限制阈值也表示输出处有故障状态，LTC4218通过关闭MOSFET M1和M2来响应。

MOSFET安全工作区

在此应用程序中，仅M1或M2就可以满足整个SOA。假设在启动期间电流和SOA在MOSFET之间平均分配或输出过载故障导致MOSFET上的源极电压显着降低是不明智的。两个MOSFET都应该能够支持应用的整个SOA。

另一方面，当MOSFET在正常工作期间完全增强时，其行为类似于电阻器，可以安全地假设目前的股票更平等。在此应用中，两个MOSFET用于降低正常工作期间的功耗，而不是满足瞬态安全工作区域要求。在100A时，单个1mΩMOSFET消耗的功率为I 2 R =（100A） 2 •1mΩ= 10W。如果电流在50A时均匀分配，则每个MOSFET的功率更合理I 2 R =（50A） 2 •1mΩ= 2.5W。

使用多个检测电阻进行适当的开尔文检测

在这些电流水平下，正确监测检测电阻两端的电压可能具有挑战性。利用LTC4218的15mV电流检测阈值，100A电流限制需要小于0.15mΩ的检测电阻，通常使用开尔文检测方案中的并联电阻实现。

在热插拔（或其他电流检测）应用中使用单个检测电阻时，通常的做法是在IC的检测引脚和检测电阻之间使用单独的低电流开尔文走线。图2显示了与电流检测电阻的开尔文连接示例布局。检测电阻与LTC4218 SENSE + 和SENSE 之间的低电流开尔文检测路径 - 引脚消除了由于大电流通过电阻PCB铜时出现的电压降引起的误差。

在这个100A应用中，有必要实现具有多个并联感的感测电阻电阻器。并联的8个1mΩ电阻是合理的选择，因为它可以产生8•（15mV /1mΩ）= 120A的典型电流限制，提供高于负载100A的舒适余量。

然而，将检测电阻的数量乘以布局挑战;图2中单个电阻所示的简单布局不再足够。电流很少在检测电阻中共享 - 在高电流应用中，几个低值检测电阻之间的电流差异并不罕见。由于PC板铜平面的有限电阻与感测电阻串联，因此放置得更靠近MOSFET M1和M2的电阻比较远的感应电阻传导更大比例的负载电流。如果可能，首选布局是在PC板的顶部和底部放置相同数量的检测电阻。这样可以最大限度地减少因到达最远的检测电阻所需的横向电流流过铜平面而引起的寄生电压降。

即使采用最佳的PC板布局，也需要使用电阻网络来平均在1mΩ电阻上检测电压。在这个12V / 100A应用中，LTC4218的SENSE + 和SENSE - 引脚连接到8个1mΩ检测电阻，带有1Ω电阻阵列，如图1所示在SENSE + 和SENSE - 引脚之间产生的电压是1mΩ检测电阻上所有电压的平均值，有效地开尔文检测8个1mΩ电阻。示例布局如图3所示。

实验室结果

当然，计算和电路仿真不能替代台式测试，特别是在使用高电流热插拔解决方案时。图4显示了此设计的示波器波形，在ENABLE / RESET信号转换为高电平后，启动为100Ω电阻，然后执行100A负载。请注意，此设置中的ENABLE / RESET驱动电子负载箱的4V ON信号，而不是图1中M5和R10的12V电平。

图4中的波形为当没有故障时，典型的正常操作。 12V输入电源首先上升。然后，LTC4218以2V / ms的速率为1000μF输出电容充电。最后，当ENABLE / RESET输出转换为高电平时，100A负载导通，表明MOSFET M1和M2完全增强。

图5显示了LTC4218在输出发生短路时关断MOSFET M1和M2。输入电压上升100ms后，电路开始对输出节点充电。 LTC4218将充电电流限制在16A启动电流限制阈值，并快速检测到短路。该解决方案可以正确响应并关闭负载电源，以避免对系统中其他组件造成任何中断（和损坏）。

结论

多年来，Hot Swap解决方案的设计者不得不不断应对不断增加的电源电流带来的新挑战。一些问题并不新鲜，例如高电流导致的功耗要求，但今天的电流水平已经将一些新的设计问题推到了前面，例如MOSFET安全工作区，以及用于多个检测电阻的开尔文检测技术。此处显示的12V / 100A LTC4218热插拔控制器解决方案专门针对这些设计点。