CN101741575A - 220a/12v直流热插拔软启动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种220A/12V直流热插拔软启动装置，是由热拔插控制器U1，场效应管Q1-Q4、二极管D1-D2及外围阻容元件组成，电路结构是场效应管Q1-D4的2-6脚并接电源12V输出，1脚并接，7脚并接，热拔插控制器U1的8脚并接场效应管Q1-Q4的7脚，8脚9脚之间并接拍电阻R3-R9，2脚接P12V_SS_EN，3脚、4脚分别串接电容C3、C4接地，5脚接地，6脚串接电阻R12接Q1的2脚，1脚接P12V_SSGD输出，10脚串接电阻R13接P3V_STBY电源输出，7脚串接二极管D2电阻R10接场效应管Q1-Q4的1脚，电阻R11与二极管D2并接，电容C5接在二极管D2的正极与地线之间，电阻R15接热拔插控制器U1的6脚与地线之间，电阻R14接在热拔插控制器U1的1脚与P3V_STBY电源输出之间，电容C6电源12V输出与地线之间，场效应管Q1-Q4的7脚串电阻R2电容C2接地，电阻R1电容C1与电容C2并接，二极管D1与电容C1并接。
Description
技术领域
服务器、网络交换机、冗余存储磁盘阵列(RAID)，以及其它形式的通信基础设施等高可用性系统的热插拔应用技术领域。
背景技术
热插拔技术，常用的两种系统电源电压为-48V和+12V，它们使用不同的热插拔保护配置。-48V系统包含低端热插拔控制器和导通MOSFET；而+12V系统使用高端热插拔控制器和导通MOSFET。
-48V方案来源于传统的通信交换系统技术，如高级通信计算架构(ATCA)系统、光网络、基站，以及刀片式服务器。48V电源通常可由电池组提供，选用48V是因为电源及信号能被传输至较远的距离，同时不会遭受很大损失；另外，在通常条件下，由于电平不够高，所以不会产生严重的电气冲击危险。采用负电压的原因是，当设备不可避免的暴露在潮湿环境中时，在正极端接地的情况下，从阳极到阴极的金属离子迁移的腐蚀性较弱。
然而，在数据通信系统中，距离并不是重要因素，+12V电压会更加合理，它常用于服务器及网络系统中。本文将重点介绍+12V系统。
热插拔事件：考虑一个具有12V背板及一组可移除模块的系统。每个模块必须能在不影响任意相邻模块正常工作的条件下被移除和替换。当没有控制器时，每个模块可能会对电源线造成较大的负载电容，通常在毫法量级。首次插入一个模块时，其未充电的电容需要所有可用的电流来对其进行充电。如果不对这个浪涌电流加以限制，这个很大的初始电流将会降低端电压，导致主背板上的电压大幅下降，使系统中的多个邻近模块复位，并破坏模块的连接器。
发明内容
为了实现安全的热插拔，通常使用带交错引脚的连接器来保证地与电源的建立先于其它连接，另外，为了能够容易的从带电背板上安全的移除和插入模块，每块印制板(PCB)或热插拔模块都带有热插拔控制器。在工作状态下，控制器还可提供持续的短路保护和过流保护。
本发明的目的就是针对上述要求提供一种220A/12V直流热插拔软启动装置。
本发明的目的是按以下方式实现的，电路结构是由热拔插控制器U1，场效应管Q1-Q4、二极管D1-D2及外围阻容元件组成，电路结构是场效应管Q1-D4的2-6脚并接电源12V输出，1脚并接，7脚并接，热拔插控制器U1的8脚并接场效应管Q1-Q4的7脚，8脚9脚之间并接拍电阻R3-R9，2脚接P12V_SS_EN，3脚、4脚分别串接电容C3、C4接地，5脚接地，6脚串接电阻R12接Q1的2脚，1脚接P12V_SSGD输出，10脚串接电阻R13接P3V_STBY电源输出，7脚串接二极管D2电阻R10接场效应管Q1-Q4的1脚，电阻R11与二极管D2并接，电容C5接在二极管D2的正极与地线之间，电阻R15接热拔插控制器U1的6脚与地线之间，电阻R14接在热拔插控制器U1的1脚与P3V_STBY电源输出之间，电容C6电源12V输出与地线之间，场效应管Q1-Q4的7脚串电阻R2电容C2接地，电阻R1电容C1与电容C2并接，二极管D1与电容C1并接。
本发明的有益效果是：在某些服务器设备的设计过程中，我们需每个节点都有热插拔功能，因此需要我们专门为每个节点设置热插拔线路，所以本发明装置的电路功能及特点是：支持热插拔软启动功能(1)可以承受直流12V，220A的瞬间开启时候的浪涌电流；(2)在服务器正常工作状态下，核心控制器可提供持续的短路保护和过流保护。通过热插拔控制器来解决热插拔控制器能合理控制浪涌电流，确保安全上电间隔。上电后，热插拔控制器还能持续监控电源电流，在正常工作过程中避免短路和过流。
附图说明
图1是热插拔软启动装置的应用框图；
图2是热插拔控制器LTC4211的功能框图；
图3是热插拔控制器LTC4211的MOSFET SOA图；
图4是220A/12V直流热插拔软启动装置的电路原理图。
具体实施方式
参照附图对本发明的装置做以下详细的说明。
热插拔控制器LTC4211包括三个主要元件：如图2所示，用作电源控制主开关的N沟道MOSFET、测量电流的检测电阻，以及热插拔控制器。热插拔控制器用于实现控制MOSFET导通电流的环路，其中包含一个电流检测放大器。
热插拔控制器内部的电流检测放大器用于监控外部检测电阻上的电压降。这个小电压(通常为0~100mV)必须被放大到可用的水平。LTC4211中放大器的增益为10，那么，举例来说，某个给定电流产生的100mV电压降将被放大到1V。这个电压将与固定或可变的基准电压进行比较。如果使用1V的基准源，那么在检测电阻上产生100mV(±3％)以上电压的电流将导致比较器指示过流。因此，最大电流触发点主要取决于检测电阻、放大器增益，以及基准电压；检测电阻值决定了最大电流。定时器电路用于设定过流持续时间。
LTC4211具有软启动功能，其中过流基准电压线性上升，而不是突然开启，这使得负载电流也以类似方式跟着变化。这可通过从内部电流源往外部电容(TIMER引脚)注入电流，令比较器的基准输入从0V到1V线性升高而实现。外部TIMER电容决定了上升的速度。如果需要，TIMER引脚也可以直接使用电压驱动，以设定最大电流限。
由比较器及参考电路构成的开启电路用于使能器件。它精确设定了使能控制器所必须达到的电源电压。器件一旦使能，栅极就开始充电，这种电路所使用的N沟道MOSFET的栅极电压必须高于源极。为了在整个电源电压(VCC)范围内实现这个条件，热插拔控制器集成了一个电荷泵，能够将GATE引脚的电压维持在比VCC还高10V的水平。必要时，GATE引脚需要电荷泵上拉电流来使能MOSFET，并需要下拉电流来禁用MOSFET。较弱的下拉电流用于调节，较强的下拉电流则用于在短路情况下快速禁用MOSFET。
热插拔控制器的最后一个基本模块为定时器，它限制过流情况下电流的调节时间。选用的MOSFET能在指定的最长时间内承受一定的功率。MOSFET制造商使用如附图3所示的图表标出这个范围，或称作安全工作区(SOA)。
MOSFET的选定：SOA图所示的是漏源电压、漏极电流，以及MOSFET能够承受这一功耗的持续时间之间的关系。如附图3中的MOSFET在10V和85A(850W)条件下能承受1ms，如果这一条件持续更长时间，则MOSFET可能损坏。定时器电路使用外部定时器电容来限制MOSFET经受这些最坏条件的时间。例如，如果定时器设置为1ms，当电流的持续时间超过1ms的限制时，电路就会暂停，并关断MOSFET。在我们的服务器应用线路当中，设计电路要能够承受直流220A的恒定电流经过，而一般情况下，热插拔线路在开启时候或负载变动过程中，可能会有恒定电流的1.5倍的尖峰电流流过，所以我们的MOSFET所要承受的瞬间功率为：10V*220A*1.5＝330W，这时候，我们看MOSFET IRF1324S的SOA图，在10V的时候，IRF1324S允许85A的电流持续1ms，这样每颗IRF1324S在1ms瞬间所能承受的瞬间功率为：10V*85A＝850W，这样，就需要至少四颗IRF1324S来分担功率：850W*4＝340W＞330W，所以我们线路中应用了四颗IRF1324S来完成分流。
精密电阻的选定：如上所述，要保护MOSFET不被大电流击坏，就必须在大电流到来的时候，能够及时的感知到大电流的存在，从而给控制器及时的发出信号，使得控制器启动保护电路，来切断电流来达到保护MOSFET等其他元件的目的。
由上所述，我们的四颗MOSFET所能承受的最大电流为220A*1.5＝330A，为了留取一定的余量，我们选择在电流等于300A时候应该进行保护，由于元器件的限制，这时候我们能选择到的最好的精密电阻是0.002欧姆，Pd＝3W，所以这个时候需要多个电阻并联来解决电阻功耗不能承受的问题，假设需要N个，则(300/N)E2*0.002＜3W，解得N＝8，所以我们线路中应用8个0.002欧姆的精密电阻来做过流保护，如图4所示。
Claims (1)
1.220A/12V直流热插拔软启动装置，其特征在于，是由热拔插控制器U1，场效应管Q1-Q4、二极管D1-D2及外围阻容元件组成，电路结构是场效应管Q1-D4的2-6脚并接电源12V输出，1脚并接，7脚并接，热拔插控制器U1的8脚并接场效应管Q1-Q4的7脚，8脚9脚之间并接拍电阻R3-R9，2脚接P12V_SS_EN，3脚、4脚分别串接电容C3、C4接地，5脚接地，6脚串接电阻R12接Q1的2脚，1脚接P12V_SSGD输出，10脚串接电阻R13接P3V_STBY电源输出，7脚串接二极管D2电阻R10接场效应管Q1-Q4的1脚，电阻R11与二极管D2并接，电容C5接在二极管D2的正极与地线之间，电阻R15接热拔插控制器U1的6脚与地线之间，电阻R14接在热拔插控制器U1的1脚与P3V STBY电源输出之间，电容C6电源12V输出与地线之间，场效应管Q1-Q4的7脚串电阻R2电容C2接地，电阻R1电容C1与电容C2并接，二极管D1与电容C1并接。
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