电信系统的热插拔设计:避免拼凑、支持高效设计

浪涌电流控制的“拼凑”方案

有几种已知的峰值浪涌电流控制方式，有些方法基于工程分析，有些方法则仅仅是降低了热插拔对系统的影响。下面对介绍了几种拼凑式的实施方案。

预充电引脚或“早供电”(例如：电阻法)

一种控制浪涌电流的方法是使用“交错式引脚”，也称为“早供电引脚”、“预充电压”或者是“预先加载”引脚。从物理架构上引入交错引脚，从而使新板卡正确插入，这种连接方式曾经风靡一时。热插拔过程中，通过串联电阻控制浪涌电流。

预充引脚法是一种最基本的热插拔控制方案，通过一长、一短两个电源引脚组成，如图4所示。长电源引脚首先接触到电源并通过一个串联电阻R_PRECHARGE开始为新板卡的滤波、旁路电容充电。R_PRECHARGE限制充电电流。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电阻R_PRECHARGE，为板卡供电提供一个低阻通道。信号引脚通常在插入板卡的最后时刻接入。


图4. 智能连接器提供有效的热插拔保护

该方案中，电阻R_PRECHARGE是保护器件，把浪涌电流限制在不至于烧坏引脚或干扰相邻板卡工作的水平。有些工程师还会在此架构中对地增添一个电感和/或二极管。

本文将预充引脚法当作一种“拼凑式”方案的主要原因是其不能控制滤波电容的充电速率。这种架构需要考虑两个关键因素：短引脚相对于长引脚的线长，板卡插入系统的快、慢。另外，这是一种机械方案，考虑到连接器的机械容差，完全相同的引脚长度并不能确保接触时间精确相同。实际应用中用户会看到上述不同变数。而且，当短电源引脚略长、PCB被快速插入背板时，R_PRECHARGE将在输入电容充满电之前被短路，因此，这种看似可靠的方案实际存在一定隐患，不能可靠控制浪涌电流。

该架构的另一个关键设计步骤是选择R_PRECHARGE，如果电阻选择不合理，将会直接影响系统工作。预充电阻的选择必须权衡预充电流和浪涌电流。

最后，交错式引脚方案需要一个特殊的连接器，这在行业中也是难以接受的。

从上述讨论可以看出，预充引脚架构的作用非常有限，也很难达到精确可靠的水准。它对于启动过程中的电流控制毫无价值，也不具备输出过压(OV)和欠压(UV)监测功能。

热敏电阻(电流-时间特性)法

另一种热插拔实施方案是热敏电阻热插拔控制法。热敏电阻为电子元件，阻值在温度变化时将发生显著变化(电阻是温度的函数)。根据温度变化进行系统调节的电路应用非常普遍。负温度系数(NTC)热敏电阻的电流-时间特性取决于其温度特性，在其应用电路中的功率耗散很稳定。电流-时间特性可以抑制短暂的高压尖峰以及初始浪涌电流。图5所示为基于热敏电阻的热插拔限流电路，配合一个外部MOSFET使用¹。


图5. 基于热敏电阻的热插拔电路¹

采用热敏电阻方案时，需要考虑作用在热敏电阻上的瞬态峰值功率。设计人员必须考虑电路板环境温度的变化(覆铜面积和气流)以及热敏电阻自身的因素，如果超出其额定电流和/或电压，则会导致器件损坏。

对于热敏电阻方案需要考虑几个因素，例如，在电信系统中，一旦系统交付运营商使用，将不允许更改或重新设计板卡。由此，热敏电阻可能会引发长期可靠性问题，设计人员必须考虑负温度系数(NTC)的反作用时间。另外一个关键问题是，当板卡反复插入或拔出背板时，热敏电阻可能没有足够的时间冷却，从而在随后的带电插入事件中不能有效地限制浪涌电流。最后，热敏电阻的特性参数会随时间变化，这将导致系统的抗冲击能力下降。

总而言之，该方案在需要根据温度变化进行调整的系统中能够提供良好特性(例如，LCD偏置电源)，限制浪涌电流。但是，基于热敏电阻的热插拔控制器不能满足系统长期可靠性的需求。

分离式热插拔电路

实现浪涌电流控制的另一渠道是利用几个分离元件(显然，多数工程师不会考虑拼凑式方案)。通常，利用分离电路配合独立的MOSFET、功率检测电阻及其它偏置元件实现故障保护、断路器和电流控制功能。分离式热插拔电路设计非常复杂，而且很难调试(增加了设计和研发时间)，而且成本较高、占用较大的PCB面积。

重要的是，分离方案中，无源元件的寄生参数会对热插拔电路造成较大影响。设计人员必须严格控制这些因素。电路中，利用电阻和电容控制电源的上升和下降时间、电流与电流及其它检测条件。系统设计人员必须严格关注寄生参数对电路工作状况的影响。

讨论了上述三种拼凑式热插拔方案后，我们还有更好的选择。事实上，最好的解决方案是采用完全集成的单芯片热插拔控制器，下一节将讨论业内最具创新的热插拔方案，包括MAX5961热插拔控制器。