热插拔的原理是什么？

521li

热插拔（HotSwap、HotPlug、HotDock）是指在系统导电的工作状态下，将模组、卡或连接器插到系统上而不影响系统的操作。
　　; s0 U( q: }( y+ E+ \
4 p0 D4 k1 h  k. j" e9 Q( U图1所示为热插拔过程，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。
  A( p, k  Z; i) J
$ T5 r2 R2 J* w  E( ?
% ^! w" V' X( ?% t7 O$ ~4 i/ U8 B热插拔的目的是将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平。其实现方法有几种，其中使用PTC（正温度系数的热敏电阻），是最简单的方法。PTC依靠本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度，其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。MOS管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，比较适于低端用途。最好的方法是采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。
: ^1 _5 r: q1 n+ D+ M6 q: w　　

0 D- n( T# e% H, a* v& S3 N! T2 g: x& A8 m' y, }1 c
1 w1 v; m5 S% @6 S; C, M+ z# A3 f热插拔的实现如图2所示，是通过在供电与负载之间串联一个MOS管和一个电流检测电阻完成的。电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。+ T  W5 H; V. g
% e& ~; w2 o1 z) t  b* t

7 E7 y- G7 |% A+ T6 O! \1 Z8 c- }4 w3 y  ]- [# K9 ^
( n* K( ~/ I5 a: n7 A) w: B: ^: S4 x9 j# Q$ [% m1 N/ f
, u2 U( B: @7 X+ J接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中输出电流电压的情况。图3中，左边图形是UCC3915的输出电流、输出电压、即时电容电压的波形，可以看到当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，开始计时；如果输出电流超过ITRIP并一直上升到IMAX（设定的最大值），由于此时MOS管工作在线性模式，将最大输出电流限制在这一水平而不让输出电流上升，因此输出电流就会被限制在IMAX。
$ G9 i) L1 \5 l6 z1 I% i, z( f! R3 \8 n  x; W- V$ j
另一方面，如果计时电容电压达到1.5V，MOS管就会断开，输出电流下降到0。MOS管断开之后电容会被放电，直到下降到0.5V，然后MOS管重新启动，此时电流开始上升。如果输出电流还很高，则会将输出电流限制在IMAX，经过计时后电路又会将MOS管切断，电路将按照这一原理一直工作。右图中有两组电压和电流的波形，其中一组是没有热插拔的电压电流波形，另外一组是加入了热插拔的电压电流波形。没有加入热插拔功能的时候，瞬间电流幅度很大，高的瞬间电流幅度造成了系统电压大约1V的下降幅度；当加入了热插拔，这一瞬间电流被限制在一个较低的水平，对系统电压影响较小，从而达到热插拔的目的。4 I! B" q/ T) ]$ m/ z4 Z
. T- O: C- \. r+ \. e

系统中加入热插拔的好处包括：
$ I4 t! U0 o2 j0 m　　
1）在系统开机情况下将损坏的模块移除，还可以在开机情况下做更新或扩充动作而不影响系统操作；
9 d2 N+ M2 }- b1 v6 s* L　　
2）由于热插拔零件的可靠度提升，还可以将它们用做断电器，而且因为热插拔能够自动恢复，有很多热插拔芯片为系统提供线路供电情况的信号，以便系统做故障分析，因此减少了成本。
8 e# X( n7 K3 t3 U! s　　
* m- d* X) X) D0 I热插拔非常适合用于高可靠度的系统，如通信电源系统、伺服器电源系统等，也可以用于储存设备的电源供应，因此这些设备需要在系统不断电的情况下更换储存设备或更新。热插拔也适合于体积较小但可靠度要求很高的电源系统，包括一些主要的规范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此应用相当广泛。
　　
1 j* {& o& X' KTI的热插拔管理芯片
$ J8 s- t* k/ h9 T3 `5 p　　
在选择热插拔芯片时，需要考虑的内容有：
　　% ?) R5 S9 Q- k. @! I/ g( x
1）热插拔管理芯片的工作电压范围为48V、-48V或低电压12V以内以及电流的限制；  U* K* q2 m1 L& S
- _- A) b* q6 d2）保护的模式，可以选择自动恢复或者锁死保护模式；
+ R( I# C3 g; H8 |3 k# G3）计时电路，做断电器的功能；
4）其他工作状态时的性能，如负载短路时需要高速响应，负载增加时不损坏周边器件。热插拔启动的瞬间，电流上升速率能够被控制，从而减少噪音和冲击水平；# t5 i8 c% K) @) x/ _
5）MOS管或电流检测电阻功耗等。
　　$ g" o. ]  u+ E/ E) H5 S8 h
TI推出了很多热插拔产品，并且多个产品中加入了特殊功能以提升热插拔的工作功率，这能够使热插拔MOS管工作在安全区，从而提高产品可靠度、降低成本。另外一个功能就是di/dt（电流上升的速率），这能够减少噪音和对电路零件的冲击。TI的热插拔产品主要分为两类：高压热插拔产品，针对48V、-48V或24V应用；低压热插拔产品，针对3V到15V的应用。
& o' U% z9 l  c$ D/ g$ [　　
对于高压热插拔产品，又可以分为两类：+48V产品和?48V产品，如图4所示。48V的产品有TPS2490和2491，这个产品的工作电压从9V到80V，含有一个独特的功能叫做定功率的设定。?48V的热插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，这个系列针对简单的热插拔的应用，工作电压从?36到?80V，是8只脚的封装。第二个48V的热插拔是TPS2392和TPS2393，是属于全功能?48V的热插拔产品，除了拥有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠压和过压的设定，提供两只脚做连接器的检测。% G: U; x2 f& O* A7 b: Z

6 a" \, \5 M/ c. {! c) N1 [

天使到我家

看到BMS芯片的应用中，热插拔采用了电容和齐纳二极管的组合来应对更低的浪涌电流的威胁