使用熱插拔控制器增強系統可靠性
使用熱插拔控制器增強系統可靠性
作者:ADI 產品應用開發工程師Karl Audison Cabas, 產品應用開發助理工程師Ralph Clarenz Matociños, 及資深產品應用工程師Christian Cruz
摘要
本文探討了在系統級應用中建置熱插拔控制器的優勢和利益。熱插拔控制器提供了一種先進的解決方案,可無縫插入和拔出電子裝置,確保持續運行、防止過流並進行即時監測。透過提供參考設計,用戶能更瞭解關鍵功能,進而增強這些功能的相關性和重要性。本文重點介紹熱插拔控制器如何提升系統可靠性、大幅減少停機時間並保護敏感設備,最終優化系統性能並降低維護成本。
簡介
在電子產品中,在不斷電系統運行的情況下安全地插入和拔出電源模組的能力十分重要。眾所皆知,熱插拔1已成為從資料中心到電信系統等許多應用的基本功能。為了確保系統在這些操作期間的安全性和完整性,需要專門的控制器。ADI的 LTC4287在此類產品中便具有明顯優勢,本文將深入探討了此款熱插拔控制器在系統級應用中的性能、特性、益處和優勢。
LTC4287:強大的熱插拔控制器
LTC4287為一款多功能的高性能熱插拔控制器,專為在系統即時增加或更換期間保護系統和插入的元件而設計。憑藉全面的功能和強大的性能,LTC4287成為了許多關鍵應用中的重要組成部分。
熱插拔要點
熱插拔涉及在系統運行時插入或拔出元件(例如卡、電源或驅動器)的行為。這個過程充滿挑戰,因為需要處理供電軌並確保電壓水準保持在安全範圍內。熱插拔控制器透過提供以下主要功能,卓越的解決了這些挑戰:
使用RC熱電路實現精準限流
熱插拔可提供精準限流,在熱插拔應用中發揮著非常重要的作用。此功能可確保插入的元件所消耗的電流保持在安全範圍內。一旦突發大衝擊電流或故障情況時,控制器會迅速做出反應,保護系統免受過流事件的影響。使用者可以選擇使用RC熱電路,該電路類比MOSFET從節點到印刷電路板(PCB)的熱傳導,進而進一步提高限流的準確性。
故障檢測與保護
在熱插拔場景中,可能由於未對準、元件損壞或其他因素而出現故障。熱插拔控制器配備全面的故障檢測機制,包括欠壓和過壓保護。其會持續監測輸入側和輸出側的電壓水準,立即採取行動隔離故障並保護系統。
衝擊電流控制
在插入電源裝置(PSU)期間,由於電容負載,可能會產生高衝擊電流,這可能會導致電壓下降並影響系統穩定性。熱插拔控制器整合了衝擊電流控制功能,可在插入過程中平穩增加電流,以減輕電壓波動。此種平穩的啟動過程可確保系統中的其他組件保持運行而不中斷。
輸出電壓和電流監測
為了確保插入的PSU正常運行,熱插拔控制器透過整合的 PMBus®對輸出電壓和電流進行即時監測。監測資料可傳輸至 LTpowerPlay® 進行分析和評估。此監測功能可以快速識別PSU行為中的任何異常,進而有助於快速回應潛在問題。
綜合控制
此款熱插拔控制器提供了良好的彈性和可配置性。設計人員可自訂設定,以滿足其熱插拔系統的特定要求。此種適應性在具有不同PSU需求的應用中尤其重要。
系統級性能優勢
現在,我們來看一下在系統級應用(特別是54 V至12 V系統應用)中加入熱插拔控制器的優勢和益處。參考圖1。
系統參考設計專門針對並行模式功能進行了設計和優化,進而能夠透過熱插拔控制器從帶電背板上安全地插入和拔出54 V至12 V PSU模組。在正常運行期間,電荷泵和閘極驅動器啟動M1和M2 MOSFET,促進電力向負載傳輸。這些閘極驅動器由熱插拔控制器電源 (VDD)接腳供電,並包括內建14 V閘極-源極箝位,用於外部MOSFET保護。在熱插拔控制器中,透過一組比較器(包括欠壓(UV)、過壓(OV)和啟用(EN)比較器)在啟用閘極之前驗證外部條件。三個欠壓保護電路(UVLO1、UVLO2和UVLO3)會驗證輸入電源並在內部產生5 V電源(INTVCC和DVCC)。當DVCC超過閾值時,UVLO3還會觸發邏輯電路的上電初始化,並將EEPROM內容讀取到操作記憶體中。在正常運行期間,熱插拔控制器會在啟動去抖延遲後啟動外部N通道MOSFET。
LTC4287提供雙級電流保護,利用開爾文電流輸入(SENSE+和SENSE-)接腳來監測感測電阻上的負載電流。其具有主動限流和快速限流比較器閾值。快速限流閾值始終設定為標稱限流的三倍。當感測電壓達到限流閾值時,相關閘極被拉低以接合主動限流迴路。如果發生突然短路或輸入尖峰達到快速限流比較器閾值,則相應的閘極立即被拉至源極,進而限制峰值電流。一旦感測電壓恢復到限流閾值,主動限流迴路就會接管電流控制。
增強系統可靠性
在系統應用中,可靠性非常重要。54 V至12 V PSU模組的熱插拔是一個非常精細的操作過程,任何錯誤或故障都可能導致系統停機或元件損壞。熱插拔控制器的精準限流和故障檢測機制確保熱插拔操作安全進行,進而降低系統中斷和元件故障的風險。
圖2所示的系統應用參考設計重點展示了LTC4287以及兩個能夠處理高達4 kW功率的54 V至12 V PSU模組。其中還包含可透過 LTpowerPlay®(使用 DC1613)存取的PMBus通訊功能,以增強控制和監測功能。
無縫維護
在必須保障連續運行的應用中,通常需要定期維護或更換元件。此款熱插拔控制器的衝擊電流控制和即時監測功能使PSU能夠順利插入和拔出。這表示無需關閉整個系統即可執行維護操作,進而大幅減少停機時間並大幅提高系統可用性。
降低持有成本
無需中斷系統運行即可進行元件熱插拔,進而可以明顯節省成本,可能降低30%至50%。關鍵應用的停機可能會導致收入或生產力的損失。透過部署熱插拔控制器,系統可以設計為大幅減少或消除此類中斷,進而降低長期總體持有成本。
廣泛適用於多種應用
熱插拔控制器並不侷限於特定的產業或應用。其可以整合到各種系統中,包括資料中心、電信設備、工業自動化等。其具有良好的適應性,能夠在不同場景中提供保護和控制,因而成為系統級應用的多功能解決方案。
即時監測和資料收集
除了保護功能外,熱插拔控制器還提供即時監測功能,可提供豐富的資訊。這些監測資料對於系統診斷、性能優化和預測性維護非常有價值。透過分析這些資料,系統操作員可以做出明智的決策,並在潛在問題惡化之前主動加以解決。
系統應用示例中包含一個熱插拔控制器和PMBus協議通訊(參見圖3),提供了使用者友善的可存取性。當配置了GPIO接腳時,可以實現讀取A/D暫存器、故障檢測和通過ALERT#中斷進行即時回應等任務。PMBus裝置的輔助位址由ADR0和ADR1接腳決定,每個接腳提供三種狀態(接地、INTVCC或保持開路),總共提供9個裝置位址。
簡化系統設計
此款熱插拔控制器功能全面,使系統設計得以簡化。設計人員可以依靠此款控制器來管理熱插拔操作,進而降低系統其餘部分的複雜性。此種簡化可以縮短開發週期並減少設計工作量。
54 V至12 V系統解決方案的電氣性能和結果
在系統參考設計中,對此款熱插拔控制器在多種測試條件下的性能進行了評估:
參數:系統應用的電氣指標
輸入電壓範圍:40 V至60 V
負載電流:0 A至130 A
工作溫度:0°C至60°C
在評估熱插拔控制器時,根據特定應用的要求,需要考慮幾個關鍵參數和指標。以下是一些需要評估的重要參數:
過流保護
熱插拔控制器採用多級方法來提供強大的過流保護。首先,其採用具有預設閾值的主動限流(ACL)。
當負載電流超過此限制時,控制器會主動調節輸出電壓,抑制電流並防止問題進一步加重。其次,快速限流比較器作為主動限制的補充,能夠立即對突發的高幅度過流(例如短路)作出反應。其會迅速拉低MOSFET閘極,限制峰值電流以保護電路免受損壞。此外,此款控制器支援故障報告和恢復。如果發生過流的情況,其會透過指定的通用接腳(GPIO)報告故障,這些接腳可以與LED相連以指示故障。故障解決後,其就會促進受控恢復,逐步恢復對負載的供電,以安全地恢復正常運行。圖4顯示了如何對參考設計進行編程,以便在線路電流超過128 A時快速做出反應,同時鎖定輸出以防止發生潛在的危害。當達到限流時,熱插拔控制器的故障接腳會被啟動。
短路保護
LTC4287配備多級短路保護系統,以確保短路事件期間PSU模組的安全。首先,其能夠立即回應短路,具有快速限流比較器,可對突發的高幅度短路情況做出迅速反應,包括快速下拉MOSFET開關閘極以限制峰值電流並保護電路。此外,還建置了主動限流機制,為正常運行建立了預定義的限流閾值。如果短路電流超過該閾值,控制器將透過主動調節輸出電壓進行干預,以將電流降低至安全水準。
如圖5所示,如果在正常運行期間發生短路,此款熱插拔控制器會立即斷開輸入與輸出,進而提供即時保護。然後會發送一個訊號,表示已觸發故障,具體以故障訊號和電源良好(PGOOD)訊號表示。這確保了輸入線路之間能夠得到充分的隔離。這種綜合方法可保證系統在短路情況下的安全性和彈性。
衝擊電流控制
熱插拔控制器中整合了熱衝擊電流管理,以限制熱插拔FET上因上電期間電流湧浪而引起的熱相關故障,確保安全啟動。其透過測量串聯電流感測電阻兩端的電壓來感測電流的上升情況。軟啟動電路逐漸增加輸出電壓,大幅降低超出MOSFET安全工作區(SOA)的電壓上升速率和電流尖峰。當感測到啟動短路時,計時器(TMR)接腳中編程的SOA計時器輸出會逐漸增加到大於2.56 V的TMR閾值。熱插拔控制器會自動斷開線路而不啟動保護MOSFET,如圖6所示。如此便保證了系統的安全運行。這些關鍵元件可實現平穩有序的上電過程,提升系統可靠性和使用壽命,同時減少電壓尖峰和湧浪。
總之,此款熱插拔控制器透過管理熱衝擊電流和限制湧浪來確保安全啟動。它使用電流感測電阻來檢測增加量,採用軟啟動電路來大幅減少尖峰,並在發生啟動短路時自動斷開線路,進而增強系統安全性。這些元件可保證平穩上電,提升系統可靠性和使用壽命,同時降低電壓尖峰。
電壓監測
熱插拔控制器具有內建電壓監測功能,可確保54 V輸入到12 V系統應用的安全穩定。其會持續追蹤電壓水準以進行欠壓和過壓檢測,提供關鍵保護。它會評估熱插拔MOSFET後的輸入和輸出電壓,並在電壓低於欠壓閾值時做出回應,進而防止出現操作問題。同樣,如果其感應到電壓超過了過壓限制,就會啟動保護措施來保護元件免受潛在損壞。這種主動回應可防止因電壓波動而導致的性能問題,進而確保系統的可靠性和耐用性。電壓監測資料儲存在控制器內建的EEPROM中。
圖7說明了熱插拔控制器的欠壓保護機制,當UV接腳的電壓低於閾值(測量值為2.14 V,相當於PVIN電壓33 V)時,會使裝置停止運行。圖8則顯示了過壓保護機制,當OV接腳的電壓超過閾值(測量值為2.47 V,對應PVIN電壓為64 V)時,會關閉裝置。當輸入電壓恢復正常時,控制器會自動重試並恢復。可以透過修改UV和OV接腳上的電阻分壓器值來調整閾值。
溫度監測
LTC4287利用遠端電晶體作為感測器來即時監測溫度。如此便可以收集溫度資料以進行系統健康評估和保護。
故障報告和指示
借助LTpowerPlay,此款熱插拔控制器可以有效地監測和解決系統中的任何故障和異常,確保有效的管理和維護。
負載瞬態響應
此款熱插拔控制器具有卓越的瞬態響應,可確保動態負載變化時系統的穩定性。其會持續監測輸出電壓,防止電壓波動並保護系統中的敏感元件,如圖9所示。
準確性和精準度
此款熱插拔控制器結合了高品質元件、校準、溫度補償、降噪、反饋迴路和數位通訊功能,實現了卓越的準確性和精準度。這些特性共同確保了測量的可靠和一致,有助於提升系統應用的整體準確性和精準度。圖10顯示了LTC4287輸出功率讀數與測試設備測得的資料的比較。
校準過程對於確保熱插拔控制器測量的準確性和精準度非常重要,這對於重視資料可靠性和一致性的系統應用尤為重要。透過在製造過程中校準控制器並提供使用者校準選項,LTC4287提供非常準確和精準的電壓和電流測量,有助於提升系統應用和PSU模組的整體性能和可靠性。
透過仔細評估可用參數和測試條件,此款熱插拔控制器可滿足系統應用和其他大電流應用的要求。
此外,還應考慮加入一個強大的輔助電路,以便有效地為系統內的各種內部周邊設備供電。在系統應用中,參考設計已經利用 LT8631來提供穩定的5 V電壓,利用 LT3009確保可靠的3.3 V供電。
結論
ADI的LTC4287熱插拔控制器為一款強大的電源管理產品,可提升系統可靠性、減少停機時間並在系統級提供眾多優勢。其具有故障保護、控制衝擊電流和提供即時監測的能力,是各個產業關鍵應用中不可或缺的元件。透過引入此款熱插拔控制器,系統設計人員可以確保順暢、高效的熱插拔操作,進而提高系統可用性並降低總體持有成本。
參考電路
「瞭解、使用和選擇熱插拔控制器」。ADI,2003年12月。