基于TPS2491的热插拔保护电路设计

文章对主流热插拔控制策略进行了比较分析，在介绍热插拔控制器TPS2491功能结构后，以24V电源背板总线数据采集卡为设计实例，详细介绍了基于TPS2491进行热插拔保护电路的设计过程，并对设计电路进行了测试验证，验证结果表明设计电路可有效抑制热插拔过程中的浪涌电流。

在工业控制现场PLC/DCS、刀片式服务器和冗余存储磁盘阵列（RAID）等高可用性系统，需要在整个使用生命周期内具有接近零的停机率。如果这种系统的一个部件发生了故障或需要升级，它必须在不中断系统其余部分的情况下进行替换，在系统维持运转的情况下，发生故障的板卡被移除，替换板卡被插入，被称为热插拔（Hot Swap）。

任何一个板卡都具有一定的负载电容，当板卡插入正常工作背板时，背板电源将使用较大的瞬时电流对插入板卡负载电容充电；当板卡从正常工作背板拔出时，由于板卡上的负载电容放电，在板卡与背板之间会形成一条低阻通路，也将产生较大的瞬时电流。浪涌现象会导致背板电源瞬时跌落，造成系统意外复位，甚至损坏接口电路，对于热插拔保护电路的研究将成为背板结构设备推广应用的关键。

1控制策略比较

1.1交错引脚法

"交错引脚法"也称为"预充电引脚法"，是一种最基本的热插拔浪涌电流控制方案，从物理结构上引入一长、一短两组交错电源引脚，在长电源引脚上串联了一个预充电电阻。板卡插入背板时，长电源引脚首先接触到电源，通过预充电电阻为插入板卡负载电容充电，并进行滤波和充电电流限制，板卡将要完全插入时，短电源引脚接入电源，从而旁路连接在长电源引脚的预充电电阻，为插入板卡供电提供一个低阻通道，信号引脚在插入板卡的最后时刻接入。板卡从背板拔出时，控制过程正好相反，长电源引脚最后与背板分离，通过预充电电阻为板卡负载电容放电。

交错引脚法不能控制负载电容的充电速率，预充电电阻的选择必须权衡预充电流和浪涌电流，如果电阻选择不合理，会影响系统工作。交错引脚方案需要一个特殊的连接器，这将会给选型设计带来一定的困难。

1.2热敏电阻法

热敏电阻法采用一个负温度系数（NTC）热敏电阻配合一个外部MOSFET使用，其工作原理是：NTC热敏电阻置于功率MOSFET尽可能近，热敏电阻上的温度与功率MOSFET外壳的温度直接成正比，控制MOSFET栅极电压控制器的开关门限输入电平与热敏电阻上的温度成反比。板卡在背板上进行热插拔时，MOSFET在瞬时浪涌电流的作用下温度升高，NTC热敏电阻上的温度随着升高，栅极电压控制器开关门限电平下降，来达到对板卡热插拔时浪涌电流控制。

采用热敏电阻法时，一个关键的问题是，当板卡连续反复插拔时，热敏电阻可能没有足够的冷却时间，从而在随后的热插拔事件中不能有效限制浪涌电流。同时需要考虑NTC热敏电阻的反作用时间引起的长期可靠性问题，板卡环境温度及热敏电阻自身因素对可靠性设计带来的问题。

1.3热插拔控制器

热插拔控制器是当前最好的热插拔解决方案，它在单芯片内集成了过压和欠压保护、过载时利用恒流源实现有源电流限制、电源电压跌落之前断开故障负载、利用外部FET构成"理想二极管"提供反向电流保护以及发生负载故障后自动重启等功能。此外，新一代热插拔控制器集成了全面的模拟和数字功能，在板卡插入并完全上电后，可连续监测电源电压、电流、功率以及器件温度，实时提供短路和过流保护，并且可以识别故障板卡，在系统完全失效或意外关闭之前撤掉故障板卡。热插拔控制器可有效控制热插拔过程中的浪涌电流，并在系统正常运行后提供过流和负载瞬变保护，降低了系统失效点，保证了可热插拔系统的长期可靠运行，热插拔控制器应用示意图如图1所示。

图1 热插拔控制器应用示意图

2应用实例设计

2.1 TPS2491功能结构

TPS2491是TI推出的一款正高压热插拔控制器，支持9-80 V正压系统，适用于保护新兴正高压分布式电源系统，如12 V、24 V与48 V服务器背板、存储域网络、医疗系统、插入模块以及无线基站等。TPS2491的可编程电源与电流限制功能有助于确保外部MOSFET在适当的电压、电流与时间条件下始终保持在其安全工作区（SOA）范围内进行工作。在正常工作期间，外部MOSFET可在最大的栅源电压下工作，以尽可能降低通道电阻。在进行启动及出现短路的情况下，可对栅极-源极电压进行调制，以便提供已定义的启动时间，避免损坏外部MOSFET，TPS2491功能框图如图2所示。

图2 TPS2491功能框图

1）上电启动过程

欠压锁定（UVLO）和芯片使能（EN）均超过其门限电平时，GATE、