热插拔的工作原理、使用目的和应用

热插拔如何工作
热插拔(HotSwap，HotPlug，HotDock)是指在不影响系统运行的情况下，将模块、卡或连接器插入系统。
图1所示为热插拔过程，左侧代表系统及其电源，电源输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。在将卡插入系统之前，输入电容没有充电；当卡插入系统时，会有很大的瞬时电流给输入电容充电。如此大的瞬时电流可能导致系统电源电压异常。热插拔的目的是将高瞬时电流控制在相对较低的合理水平。实现的方法有几种，其中PTC(正温度系数热敏电阻)是最简单的方法。PTC依靠自身的电流发热来改变阻抗，从而降低瞬时电流的幅度。其缺点是反应速度慢，长期使用会影响使用寿命。在MOS管的电流检测电阻上增加一些简单的阻容延迟电路的方法成本低，适合低端应用。最好的方法是使用热插拔芯片，通常包括驱动MOS设计和电流检测电阻。除了基本热插拔外，它还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、断开电路、管理电源和报告状态，从而改善系统的工作状态。
热插拔是通过在电源和负载之间串联一个金属氧化物半导体管和一个电流检测电阻来实现的，如如图2所示。电流检测电阻的作用是将流经MOS管的信号传输到控制电路，控制电路再根据电流设定和定时电路控制MOS管的导通。
接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中的输出电流和电压。在图3中，左边的图是UCC3915的输出电流、输出电压和瞬时电容电压的波形。可以看出，当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，计时开始；如果输出电流超过ITRIP，上升到IMAX(设定的最大值)，由于MOS晶体管工作在线性模式，最大输出电流被限制在这个水平，所以输出电流会被限制在IMAX。另一方面，如果定时电容的电压达到1.5V，MOS晶体管就会关断，输出电流下降到0。MOS管断开后，电容会放电到0.5V，然后MOS管重启，电流开始上升。如果输出电流仍然很高，输出电流将被限制在IMAX。定时后电路会切断MOS管，电路始终按照这个原理工作。右图有两组电压电流波形，一组是不带热插拔的电压电流波形，另一组是带热插拔的电压电流波形。不加热插拔功能时，瞬时电流幅值很大，高瞬时电流幅值导致系统电压下降1V左右；加热插拔时，这时电流被限制在一个低电平，对系统电压影响不大，从而达到热插拔的目的。向系统添加热插拔的好处包括：
1)在系统通电时移除损坏的模块，并在不影响系统运行的情况下，在系统通电时更新或扩展该模块；
2)由于热插拔部件的可靠性提高，所以也可以作为断路器使用。而且由于热插拔部件可以自动恢复，很多热插拔芯片为系统提供线路电源的信号进行故障分析，降低了成本。
热插拔非常适合高可靠性系统，如通信电源系统、服务器电源系统等。也可用于存储设备的供电，因此这些设备需要在系统断电时更换或更新。热插拔也适用于体积小但可靠性要求高的电力系统，包括一些主要规格，如PCI、PCIe、USB、1394等。所以被广泛使用。
德州仪器的热插拔管理芯片
选择热插拔芯片时，应考虑以下因素：
1)热插拔管理芯片的工作电压范围为48V、-48V或12V及限流范围内的低电压；
2)保护模式，可以选择自动恢复或锁定保护模式
3)起断路器作用的定时电路；
4)其他工况下的性能，如负载短路时的高速响应，负载增大时不损坏外围设备。在热插拔启动的瞬间，可以控制电流上升速率，从而降低噪音和震动水平；
5)功耗5)MOS管或电流检测电阻等。
TI推出了很多热插拔产品，很多产品增加了特殊功能，提高热插拔的工作功率，可以让热插拔MOS管在安全区域工作，从而提高产品可靠性，降低成本。另一个功能是di/dt，可以降低噪声和对电路部件的影响。TI的热插拔产品主要分为两类：用于48V、-48V或24V应用的高压热插拔产品；适用于3V至15V应用的低压热插拔产品。
对于高压热插拔产品，可以分为两类：48V产品和？48V产品，如图展示4。48V产品有TPS2490和2491。该产品的工作电压范围从9V到80V，它包含了一个独特的功能，称为恒功率设置。48V热插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398、99，本系列针对简单的热插拔应用，工作电压范围从？36到？80V，是8引脚封装。第二个？48V热插拔是TPS2392和TPS2393，功能全？48V热插拔产品具有TPS2390系列的所有功能，还包含欠压和过压设置，为连接器测试提供两个引脚。其中，定功率是TI独有的技术。图5比较了定功速率限制与一般线性电流模拟电路。左图为一般线性电流模拟电路的曲线，MOS管的电流与VDS呈线性关系；右图是定功速率曲线，从图中公式可以看出，电流与VDS是非线性的。当负载增大时，如果没有定功速率限制，图6左上角的输出电流迅速上升，输出电压下降，流经MOS晶体管的功率很可能漂移出SOR如果加上定功限速功能，左下角电压电流波形中的电流迅速上升，对输入电容充电后迅速下降，同时MOS管的工作点始终保持在SOR以内。因此，只要设置好定功速率限制，就可以忽略负载的变化，节省MOS管的成本。负载短路时，如果没有定功速率限制，电流会过冲超过70A，15微秒后恢复到设定的最大电流5A，因此大电流幅值很可能损坏线路周围的部件；增加功率限制功能后，电流上升幅度小，只有20A，1微秒后可以降低到设定的最大电流5A。对于1微秒20A的脉冲，MOS管完全工作在安全工作区。
-48V的一些热插拔产品有TPS2390，TPS  2391，TPS  2398，TPS  2399。这些芯片只有8个引脚，工作电压范围在-36到-80V。从应用线来看，他们的应用很简单，基本上只需要考虑最大电流设置，然后定时电路和TI独特的设计功能叫做电流上升率。在TI的控制芯片中，很多热插拔产品都有一个叫RAMP的引脚来设置电流上升速率，通常用一个电容来设置电流上升斜率。
许多控制器设计有电压上升斜率控制。热插拔控制器启动时，输出电压上升缓慢，但输出电流上升迅速，输出电流的上升幅度根据不同的容性负载而变化。如果负载电容比较大，电流脉冲幅度比较大，那么这样大的脉冲电流也会影响系统的正常运行。TPS239X系列采用电流上升斜率的导通方式。启动时，输出电流的上升斜率可以由RAMP电容设置。斜坡电容越大，上升斜率越慢，从而降低系统噪声和冲击的影响。
TI的低压热插拔产品分为内置MOS管产品和外置MOS管产品两类，如图如图7。MOS管内置产品有UCC3912、UCC3915、UCC3918、TPS2420/21等。这些产品的最大允许电流为5安培，工作电压范围从0V到12V。金属氧化物半导体外部热插拔控制芯片包括单通道控制芯片和双通道控制芯片，两个单通道控制芯片包括TPS2330和TPS2331，双通道控制芯片包括TPS2300系列。热插拔可以应用到很多场合。图8列出了与不同设计应用相匹配的热插拔产品，可以根据表格选择合适的热插拔设备。