簡(jiǎn)潔緊湊型服務(wù)器熱插拔解決方案

對(duì)于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用，不僅希望電源工程師們能設(shè)計(jì)出對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的保護(hù)和控制電路，同時(shí)還希望他們能最大限度地減少占板空間，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)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(duì)更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，工程師不得不想方設(shè)法簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。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(yīng)對(duì)上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

熱插拔過(guò)程

與許多通信基礎(chǔ)架構(gòu)一樣，高可用性和高可靠性是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素?？刹灏文K和PCB（例如服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備）在電源接口需要采用保護(hù)和控制電路。可插拔模塊和PCB（例如服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備）在電源接口需要采用保護(hù)和控制電路。通常將此電路稱之為熱插拔控制電路。想要了解熱插拔控制電路對(duì)系統(tǒng)的作用，首先需了解熱插拔動(dòng)作前后系統(tǒng)狀態(tài)的變化。圖 1 顯示的主機(jī)系統(tǒng)背板起初為完全通電狀態(tài)。在帶電系統(tǒng)中，所有的大容量電容和旁路電容都已充滿電。將未充電的板卡插入帶電系統(tǒng)，會(huì)快速為板卡充電并對(duì)帶電系統(tǒng)進(jìn)行放電。若對(duì)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(duì)系統(tǒng)放電電流不控制, 會(huì)大大降低背板電壓。

圖 1：電信系統(tǒng)中分布式電源架構(gòu)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(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)板卡插入連接器后，板卡與系統(tǒng)正確配對(duì)需要幾毫秒的時(shí)間。當(dāng)板卡插入后，卡上電容開始充電, 從帶電系統(tǒng)中吸收電流。一旦電容開始充電，板卡類似對(duì)地短路并出現(xiàn)非常大浪涌電流。這種浪涌電流對(duì)系統(tǒng)的要求很高，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電容放電以及系統(tǒng)電壓下降。熱插拔解決方案在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，可以將卡/板插入或拔出, 而不影系統(tǒng)的正常工作。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在服務(wù)器和存儲(chǔ)等應(yīng)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(duì)帶電電路板浪涌電流的安全控制；故障監(jiān)控診斷和保護(hù)以及高精度的電氣（電壓，電流，功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)，以便在模擬或數(shù)字域中提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)遙測(cè)。尤其在服務(wù)器機(jī)架中的一個(gè)線卡/板發(fā)生故障時(shí)，故障應(yīng)與特定線卡/板隔離，并且不得影響系統(tǒng)背板或由該帶電背板供電的其他線卡/板。

防止系統(tǒng)停機(jī)的最好方法是檢測(cè)、響應(yīng)并盡快糾正潛在損壞故障。

傳統(tǒng)的熱插換保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)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(tǒng)。此種方法可以實(shí)現(xiàn)基本的保護(hù)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(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性就越受影響。
• 分立式方案的MOSFET沒(méi)有熱保護(hù)功能。在極端條件下，其熱設(shè)計(jì)通常會(huì)超出設(shè)備保護(hù)的安全工作區(qū)（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(zhǔn)地進(jìn)行電流監(jiān)控和限流操作。

由于增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并且縮短了設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)資源變得更加緊缺，資源分配主要取決于開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這通常意味著只能在開發(fā)后期才能關(guān)注電源。

因?yàn)楹茈y通過(guò)有限的電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)來(lái)快速解決上述缺點(diǎn)，因此，越來(lái)越需要開發(fā)出可靠的熱插拔解決方案。理想的熱插拔解決方案應(yīng)該具備小封裝、高性價(jià)比、高可靠性以及采用最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)等特質(zhì)。

創(chuàng)新型解決方案

與傳統(tǒng)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(dú)的硅片中?（見圖2）。MP5023 采用小型 QFN(4mmx5mm) 封裝。