CN116054080A - 一种应用于直流电源的热插拔保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；采样电阻RS的两端分别与过流保护单元的输入端连接；过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。本发明采用通用的分立式元器件设计，电路结构简单，成本低，使用灵活。

Description

一种应用于直流电源的热插拔保护电路

技术领域

本发明涉及热插拔技术领域，特别是一种应用于直流电源的热插拔保护电路。

背景技术

热插拔(Hot Swap)即带电插拔。热插拔功能允许用户在不关闭系统和不切断电源的情况下，插入或拔出需要新增或替换的板卡、模块等部件不影响系统的正常工作，从而提高系统的可靠性、快速维修性、冗余性等。热插拔技术是实现电源连续运行和设备不停机维护的关键技术。

在电子通信系统中设备多采用标准的机架式服务器结构，具有良好的可扩展性和冗余性，可支持功能不同的标准板卡的扩展和更换。在军事、通信、金融等领域，机架式服务器设备上线工作就基本不允许断电，提升、扩展、维护设备时就需要带电插入或者移除标准板卡。如果标准板卡的电源没有热插拔保护，一方面在热插拔过程中连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳引起电源振荡，这个过程不仅会引起系统电源跌落影响其他在位板卡的正常工作，甚至造成系统重启，更可能会引起连接器打火，引发火灾；另一方面，由于插入板卡上的大容量储能电容的充电效应，板卡插入时电源会出现很大的浪涌电流，此浪涌电流可能会烧毁设备电源保险丝和电子元器件。

早期的热插拔技术的实现主要是依靠电容和电感抑制冲击的瞬间，但是可能导致电源受到巨大冲击，系统因此发生复位和重启；后来随着半导体技术的发展，热插拔技术主要通过三极管等分立器件来实现对电源的热插拔保护；当代随着集成电路技术的成熟，新型的热插拔芯片不断出现，热插拔技术逐渐实现了对电源电压和电流精确控制的目标。所以目前实现电源热插拔的技术方案主要有两种，一种是选用热插拔保护芯片和芯片外部在输入电源和被保护负载之间串联采样电阻和MOSFET来实现；另外一种是选用分立式元器件搭建电路实现电源热插拔功能。

其中第一种方案，热插拔保护芯片通过输入电压检测引脚采集电压实现过压保护，通过检测采样电阻两端的电压大小来实现过流保护，另外可以通过EN使能引脚来控制电源的接通或断开，同时可以对外接MOS通断的进行精确控制，进而实现热插拔过程中电源电流、电压的精确控制。但是热插拔芯片当前基本没有实现全部国产化，不符合当前一些特殊关键设备全国产化的要求。

第二种方案，用于实现电源热插拔功能分立式元器件主要有TVS管，PTC电阻，以及多种分立式元器件组合设计等几种方案。其中TVS管被放置于被保护负载的输入电源正负极之间，当输入电压瞬间高于TVS的反向击穿电压后钳位输入电压，吸收输入电源的尖峰能量避免更高的电压损坏被保护的负载。但是TVS管反向击穿后电流很大，可能导致设备电源超载，造成设备电源短路保护，另外TVS无法实现大容量储能电容的充电引起的浪涌电流抑制；PTC电阻被串接在输入电源和被保护负载之间，当电流过大时，PTC电阻发热使得阻值增大，从而减小电流，但是PTC电阻反应速度慢(秒级)，对热插拔的浪涌电流的抑制能力有限；多种分立式元器件组合设计方案，一般使用TVS管和PCT电阻，配合控制电源线串接MOS管通断延时来消除热插拔时电源振荡，但是这种方案没有能解决TVS管和PCT电阻等分立器件的缺点，也一般不具备热插拔芯片的上、下电使能等功能。

发明内容

针对上述分立式元器件实现电源热插拔功能存在的缺陷，本发明提供一种应用于直流电源的热插拔保护电路，以解决上述技术问题。

本发明公开了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；

所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；

所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；

所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；

所述使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。

进一步地，所述过压保护单元的内部通过串联连接的电阻R7和稳压二极管D2产生过压保护信号，进而控制PMOSFET断开板卡电源正极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D2、PMOS管Q5、电阻R7、R11、R12和NMOS管Q6；

电阻R7的一端连接电源正极，电阻R7的另一端分别连接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，稳压二极管D2的正极连接电源负极，PMOS管Q5的源极连接电源正极，PMOS管Q5的漏极连接串联连接的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

进一步地，所述过流保护单元由三个通用放大器组成的仪用放大电路和一个漏极开路输出电路实现，仪用放大电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定电压阈值，即I大于设定阈值时，将快速关闭PMOSFET，从而切断板卡电源正极；其中，Vsense_p为采样电阻RS的高电压端的电压值，Vsense_n为采样电阻RS的低电压端的电压值，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；Vsense是过流保护单元的输入信号；

所述过流保护单元包括电阻R13、R14、R16、R19、R21，通用运算放大器U1～U3，NMOS管Q7；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，电阻R16和电阻R13的公共端连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，电阻R19和R21的公共端连接仪用放大电路的负极输入端；仪用放大电路的输出端经过电阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。

进一步地，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路，用于在板卡插入设备过程中控制电源正极的PMOSFET短时间内断开，再缓慢开启PMOSFET；

当仅需使能关断信号或过压保护信号或过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭PMOSFET，切断板卡电源正极；

MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5、R10，PMOS管Q4，电容C1；

电阻R5的一端作为MOSFET控制单元的输入端，该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q7的漏极开路输出电路的线与信号线，其通过电阻R5和R3连接电源正极，电阻R5和R3的公共端连接PMOS管Q4的栅极，PMOS管Q4的源极通过电阻R4连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电容C1和电阻R10的公共端，该公共端同时连接电源正极开关Q1的栅极，电源正极开关Q1的源极连接采样电阻RS的低电压端，电源正极开关Q1的漏极连接负载正极，稳压二极管D1与电源正极开关Q1的源极和栅极并联；

所述使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R8、R9，NMOS管Q2和Q3；

电阻R1和R8串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R8的公共端连接NMOS管Q2的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q2的栅极，NMOS管Q2的源极连接电源负极，NMOS管Q2的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R9的公共端，电阻R2和R9的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

进一步地，所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输出端均与所述MOSFET控制单元的输入端连接，所述MOSFET控制单元的输出端与PMOSFET的栅极连接；

所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输入端均与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

所述使能控制单元的输入信号包括信号EN。

本发明还公开了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串接在电源负极的NMOSFET和采样电阻RS；

所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；

所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭NMOSFET，以切断板卡电源负极；

所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制NMOSFET断开板卡电源负极，实现过压保护；

所述使能控制单元用于实现NMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启NMOSFET接通板卡电源负极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭NMOSFET断开板卡电源负极。

进一步地，所述过压保护单元的内部通过一个电阻串联稳压二极管电路产生过压保护信号，进而控制NMOSFET断开板卡电源负极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D4、PMOS管D4、电阻R8、R12、R15和NMOS管Q6；

电阻R8的一端连接电源正极，电阻R8的另一端分别连接稳压二极管D4的正极和PMOS管Q4的栅极，稳压二极管D4的正极连接电源负极，PMOS管Q4的源极连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接的电阻R12和R15，电阻R12和R15的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

进一步地，所述过流保护单元由一个求差电路和一个漏极开路输出电路实现，求差电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定的电压阈值，即I大于设定阈值时，MOSFET控制单元将快速关闭NMOSFET，从而切断板卡电源负极；其中，Vsense_p为输入电源电压，Vsense_n为电源经过采样电阻RS后的电压，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；

所述过流保护单元包括电阻R11、R13、R14、R16，通用运算放大器U1，NMOS管Q5；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R13和R11，电阻R13和R11的公共端连接通用运算放大器U1构成的求差电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n经过电阻R14连接求差电路的负极输入端，电阻R16为运算放大器的负反馈电阻；求差电路的输出端连接漏极开路输出NMOS管Q5的栅极。

进一步地，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路在板卡插入过程中，用于控制电源负极的NMOSFET短时间内断开，再缓慢开启NMOSFET；

当使能关断信号、过压保护信号、过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭NMOSFET，切断板卡电源负极；

所述MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5，稳压二极管D1和D2，PMOS管Q2、电容C1、电源负极开关Q7；

串联连接的电阻R3和稳压二极管D1的公共端作为所述MOSFET控制单元的输入端；该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q5的漏极开路输出电路的线与信号线，并连接PMOS管Q2的栅极，PMOS管Q2栅极通过电阻R3连接电源正极，稳压二极管D1并联在PMOS管Q2的栅极和漏极之间，PMOS管Q2的源极通过电阻R5连接串联连接在电源正极与负极之间的电阻R4和电容C1的公共端，该公共端连接电源负极开关Q7的栅极电源负极开关Q7的源极连接采样电阻RS，电源负极开关Q7的漏极接负载负极，稳压二极管D2与电源负极开关Q7的栅极和源极并联；

所述使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R9、R10，NMOS管Q1和Q3；

电阻R1和R9串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R9的公共端连接NMOS管Q1的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q1的栅极，NMOS管Q1的源极连接电源负极，NMOS管Q1的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R10的公共端，电阻R2和R10的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

进一步地，所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输出端均与所述MOSFET控制单元的输入端连接，所述MOSFET控制单元的输出端与NMOSFET的栅极连接；

所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输入端均与功率地连接，采样电阻RS的低电压端与电源负极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

所述使能控制单元的输入信号包括信号EN。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明采用通用的分立式元器件设计，电路结构简单，成本低，使用灵活，可完全替代国外同类型的热插拔芯片方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种应用于直流电源正极的热插拔保护电路示意图；

图2为本发明实施例的一种应用于直流电源负极的热插拔保护电路示意图；

图3为图1的具体电路构成示意图；

图4为图2的具体电路构成示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

实施例一：

参见图1，本发明提供了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；

采样电阻RS的两端分别与过流保护单元的输入端连接；

过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；

过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；

使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。

本实施例中，过压保护单元的内部通过串联连接的电阻R7和稳压二极管D2产生过压保护信号，进而控制PMOSFET断开板卡电源正极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D2、PMOS管Q5、电阻R7、R11、R12和NMOS管Q6；

电阻R7的一端连接电源正极，电阻R7的另一端分别连接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，稳压二极管D2的正极连接电源负极，PMOS管Q5的源极连接电源正极，PMOS管Q5的漏极连接串联连接的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

本实施例中，过流保护单元由三个通用放大器组成的仪用放大电路和一个漏极开路输出电路实现，仪用放大电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定电压阈值，即I大于设定阈值时，将快速关闭PMOSFET，从而切断板卡电源正极；其中，Vsense_p为采样电阻RS的高电压端的电压值，Vsense_n为采样电阻RS的低电压端的电压值，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；Vsense是过流保护单元的输入信号；

过流保护单元包括电阻R13、R14、R16、R19、R21，通用运算放大器U1～U3，NMOS管Q7；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，电阻R16和电阻R13的公共端连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，电阻R19和R21的公共端连接仪用放大电路的负极输入端；仪用放大电路的输出端经过电阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。

本实施例中，MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路，用于在板卡插入设备过程中控制电源正极的PMOSFET短时间内断开，再缓慢开启PMOSFET；

当仅需使能关断信号或过压保护信号或过流保护信号有效时，MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭PMOSFET，切断板卡电源正极；

MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5、R10，PMOS管Q4，电容C1；

电阻R5的一端作为MOSFET控制单元的输入端，该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q7的漏极开路输出电路的线与信号线，其通过电阻R5和R3连接电源正极，电阻R5和R3的公共端连接PMOS管Q4的栅极，PMOS管Q4的源极通过电阻R4连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电容C1和电阻R10的公共端，该公共端同时连接电源正极开关Q1的栅极，电源正极开关Q1的源极连接采样电阻RS的低电压端，电源正极开关Q1的漏极连接负载正极，稳压二极管D1与电源正极开关Q1的源极和栅极并联；

使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R8、R9，NMOS管Q2和Q3；

电阻R1和R8串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R8的公共端连接NMOS管Q2的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q2的栅极，NMOS管Q2的源极连接电源负极，NMOS管Q2的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R9的公共端，电阻R2和R9的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

本实施例中，过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元的输出端均与MOSFET控制单元的输入端连接，MOSFET控制单元的输出端与PMOSFET的栅极连接；

过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元的输入端均与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

使能控制单元的输入信号包括信号EN。

为了便于理解实施例一，本发明提供了一个更为具体的实施例：

实施例二：

参见图3，其为一种应用于直流电源正极的热插拔保护电路实例，本实例中设备热插拔板卡的输入电源VIN＝12V，过压保护门限设置为Vov＝13V，过流保护门限为Imax＝10A，过压保护单元和使能控制单元、过流保护单元的输出信号通过线与的方式来控制MOSFET控制单元。

过压保护单元，电阻R7一端接电源正极，一端接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，D2的另外一端接电源负极，Q5的源极接电源正极，漏极接电阻R11和R12上，电阻R11和R12的中间连接漏极开路输出NMOS管Q6栅极。其工作过程如下，稳压二极管D2的反向击穿Vz＝13V；当输入电源大于13V时，D2稳压二极管将反向击穿，电流流过R7，当R7两端压差高于Q5的Vgs(th)时，Q5导通，R11和R12分压后使的Q6也导通接地，所以MOSFET控制单元中Q4的Vgs<0，导通，Q1的控制电压Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电，从而实现过压保护。

使能控制单元，电阻R1和R8连接电源正负极之间，其中间连接NMOS管Q2的栅极，EN信号通过串阻R6连接Q2的栅极，Q2的源极连接电源负极，Q2的漏极连接电源正负极之间的电阻R2和R9中间，并连接漏极开路输出NMOS管Q3栅极。其工作过程如下，当输入控制信号EN悬空或者为高电平时，Q2导通，进而Q3的Vgs＝0V，截止，所以MOSFET控制单元中Q4的Vgs＝0，截止，将Q7的控制电源Vgs＝-12V，Q7导通，热插拔板卡上电；当输入控制信号EN为低电平时，Q2截止，R2和R9经过分压后，使的Q3导通，MOSFET控制单元中Q4的Vgs<-1V，Q4导通，Q1的控制电压Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电；

过流保护单元，RS1的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，其中间连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的输入正极；RS1的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，其中间连接仪用放大电路的输入负极；仪用放大电路的输出端经过串阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。其工作过程如下，仪用放大电路的输入为采样电阻RS1两端的压差Vi＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs1×I，其中A为仪用电路的放大倍数，设定为A＝20，则Vo＝20×0.005×I。Q7的开启门限Vgs(th)为1V，所以当负载电流I>10A，则Vo>1V≥Vgs(th)，Q7导通接地，所以MOSFET控制单元中Q4导通，Q1的控制电压Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电，从而实现过流保护。

MOSFET控制单元，输入端连接Q3、Q6、Q7漏极开路输出电路的线与信号线，其通过电阻R5和R3连接电源正极，电阻R5和R3中间连接PMOS管Q4的栅极，Q4的源极通过电阻R4连接电源正极，漏极连接电源正极到负极之间的C1和R10网络的中间，并且同时连接电源正极开关Q1的栅极，Q1的源极接RS1，Q1的漏极接负载正极，稳压二极管D1与Q1的源极和栅极并联。其工作过程如下，PMOSFET的导通和截止控制由过压保护单元和使能控制单元、过流保护单元的输出信号的线与结果决定；当线与控制信号结果为高电平时，那么Q4截止，VIN开始通过电阻R10对电容C1进行充电，C1两端电压计算公式为Vc1(t)＝VIN×(1-e^(-t/RC))，由于Q1的开启电压Vgs(th)>1V，所以在Vc1(t)<Vgs(th)的过程中，Q1处于截止，电源正极不接通。延迟上电时间T1＝-RC*ln(1-Vgs(th)/VIN)，根据电路实施案例给定参数值，T1≈17.4ms，所以热插拔板卡在T1时间内电源不接通，从而避免了连接器的机械触点在接触瞬间出现弹跳引起的电源振荡；而热插拔板卡插入设备的时间大于T1后，PMOSFET的开始导通，但是由于RC延时电路的缓慢充电，从而可以限制热插拔板卡上大容量储能电容快速充电引起的浪涌电流。根据Q1的特性曲线可知，当Vc1(t)>|Vgs|≈2.8V后，导通电流能够达到设定的最大值，同时Q1的压降Vds<1V，根据上述公式可以求得Vc1(t)＝2.8V时，RC充电时间T2≈53.1ms。所以热插拔板卡电源电压从0V上升到接近12V，需要时间大约T3＝T2-T1≈35.7ms，从而可以限制了大容量储能电容快速充电引起的浪涌电流；当热插拔板卡的使能信号为低电平或者过流、过压保护起效时，线与结果为低电平，此时MOSFET控制单元内部的Q4将导通，电容C1的电荷将通过R4的通路快速放电，从而使PMOSFET快速关断，切断板卡电源正极，根据电容放电的公式可以计算得到PMOSFET的关断时间为T4＝-RC*ln(Vc1(t)/VIN)，即当电容C1两端电压Vc1(t)从12V降低到2.4V时，RC放电时间T4≈0.16ms，从而实现热插拔板卡电源快速关断。

实施例三：

参见图2，本发明提供了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串接在电源负极的NMOSFET和采样电阻RS；

采样电阻RS的两端分别与过流保护单元的输入端连接；

过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过MOSFET控制单元关闭NMOSFET，以切断板卡电源负极；

过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制NMOSFET断开板卡电源负极，实现过压保护；

使能控制单元用于实现NMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启NMOSFET接通板卡电源负极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭NMOSFET断开板卡电源负极。

本实施例中，过压保护单元的内部通过一个电阻串联稳压二极管电路产生过压保护信号，进而控制NMOSFET断开板卡电源负极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D4、PMOS管D4、电阻R8、R12、R15和NMOS管Q6；

电阻R8的一端连接电源正极，电阻R8的另一端分别连接稳压二极管D4的正极和PMOS管Q4的栅极，稳压二极管D4的正极连接电源负极，PMOS管Q4的源极连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接的电阻R12和R15，电阻R12和R15的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

本实施例中，过流保护单元由一个求差电路和一个漏极开路输出电路实现，求差电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定的电压阈值，即I大于设定阈值时，MOSFET控制单元将快速关闭NMOSFET，从而切断板卡电源负极；其中，Vsense_p为输入电源电压，Vsense_n为电源经过采样电阻RS后的电压，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；

过流保护单元包括电阻R11、R13、R14、R16，通用运算放大器U1，NMOS管Q5；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R13和R11，电阻R13和R11的公共端连接通用运算放大器U1构成的求差电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n经过电阻R14连接求差电路的负极输入端，电阻R16为运算放大器的负反馈电阻；求差电路的输出端连接漏极开路输出NMOS管Q5的栅极。

本实施例中，MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路在板卡插入过程中，用于控制电源负极的NMOSFET短时间内断开，再缓慢开启NMOSFET；

当使能关断信号、过压保护信号、过流保护信号有效时，MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭NMOSFET，切断板卡电源负极；

MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5，稳压二极管D1和D2，PMOS管Q2、电容C1、电源负极开关Q7；

串联连接的电阻R3和稳压二极管D1的公共端作为MOSFET控制单元的输入端；该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q5的漏极开路输出电路的线与信号线，并连接PMOS管Q2的栅极，PMOS管Q2栅极通过电阻R3连接电源正极，稳压二极管D1并联在PMOS管Q2的栅极和漏极之间，PMOS管Q2的源极通过电阻R5连接串联连接在电源正极与负极之间的电阻R4和电容C1的公共端，该公共端连接电源负极开关Q7的栅极电源负极开关Q7的源极连接采样电阻RS，电源负极开关Q7的漏极接负载负极，稳压二极管D2与电源负极开关Q7的栅极和源极并联；

使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R9、R10，NMOS管Q1和Q3；

电阻R1和R9串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R9的公共端连接NMOS管Q1的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q1的栅极，NMOS管Q1的源极连接电源负极，NMOS管Q1的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R10的公共端，电阻R2和R10的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

本实施例中，过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元的输出端均与MOSFET控制单元的输入端连接，MOSFET控制单元的输出端与NMOSFET的栅极连接；

过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元的输入端均与功率地连接，采样电阻RS的低电压端与电源负极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

使能控制单元的输入信号包括信号EN。

为了便于理解实施例三，本发明提供了一个更为具体的实施例：

实施例四：

参见图4，其为一种应用于直流电源负极的热插拔保护电路实例，本实例中设备热插拔板卡的输入电源-VIN＝-48V，过压保护门限设置为Vov＝-56V，过流保护门限为Imax＝10A，过压保护单元和使能控制单元、过流保护单元的输出信号通过线与的方式来控制MOSFET控制单元。

过压保护单元，电阻R8一端接电源正极，一端接稳压二极管D4的正极和PMOS管Q4的栅极，D4的另外一端接电源负极，Q4的源极接电源正极，漏极接电阻R12和R15上，电阻R12和R15的中间连接漏极开路输出NMOS管Q6栅极。其工作过程如下，D4是稳压二极管，其反向击穿Vz＝56V；当输入电源小于-56V时，D4稳压二极管将反向击穿，电流流过R8，当R8两端压差高于Q4的Vgs(th)时，Q4导通，R12和R15分压后使的Q6也导通接地，所以MOSFET控制单元中Q2的Vgs＝-12V，导通，Q7的控制电压Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电，从而实现过压保护。

使能控制单元，电阻R1和R9连接电源正负极之间，其中间连接NMOS管Q1的栅极，EN信号通过串阻R6连接Q1的栅极，Q1的源极连接电源负极，Q1的漏极连接电源正负极之间的电阻R2和R10中间，并连接漏极开路输出NMOS管Q3栅极。其工作过程如下，当输入控制信号EN悬空或者为高电平时，Q1导通，进而Q3的Vgs＝0V，截止，所以MOSFET控制单元中Q2的Vgs＝0，截止，进而稳压二极管D2反向击穿，将Q7的控制电源Vgs钳位到12V，Q7导通，热插拔板卡上电；当输入控制信号EN为低电平时，Q1截止，R2和R10经过分压后，使得Q3导通，MOSFET控制单元中Q2的Vgs＝-12V，Q2导通，Q7的控制电源Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电；

过流保护单元，RS1的高电压端Vsense_p连接对参考地电阻R13和R11，其中间连接通用运算放大器U1构成的求差电路输入正极；RS1的低电压端Vsense_n经过R14连接求差电路输入负极，R16为运算放大器的负反馈电阻；求差电路的输出端连接漏极开路输出NMOS管Q5的栅极。其工作过程如下，通过通用运算放大器U1构成的一个求差电路和一个漏极开路输出电路实现，求差电路的输入为采样电阻RS1两端的压差Vi＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×RS1×I，其中A为求差电路的放大倍数，设定A＝20，则Vo＝20×0.005×I。Q5的开启门限Vgs(th)为1V，所以当负载电流I>10A，则Vo>1V≥Vgs(th)，Q5导通接地，所以MOSFET控制单元中Q2导通，Q7的控制电源Vgs＝0V，关断，热插拔板卡掉电，从而实现过流保护。

MOSFET控制单元，输入端连接Q3、Q6、Q5漏极开路输出电路的线与信号线，并且连连接PMOS管Q2的栅极，栅极通过电阻R3连接电源正极，稳压二极管D1并联在Q2的栅极和漏极之间，Q2的源极通过电阻R5连接电源正极到负极之间的R4和C1网络的中间，并且同时连接电源负极开关Q7的栅极，Q7的源极接RS1，Q7的漏极接负载负极，稳压二极管D2与Q7的栅极和源极并联。其工作过程如下，NMOSFET的导通和截止控制由过压保护单元和使能控制单元、过流保护单元的输出信号的线与结果决定。当线与控制信号结果为高电平时，那么Q2截止，VIN开始通过电阻R4对电容C1进行充电，C1两端电压计算公式为Vc1(t)＝VIN*(1-e^(-t/RC))，由于Q7的开启电压Vgs(th)>1V，所以在Vc1(t)<Vgs(th)的过程中，Q7处于截止，电源负极不连通。延迟上电时间T1＝-RC*ln(1-Vgs(th)/VIN)，根据电路实施案例给定参数值，T1≈10.7ms，所以热插拔板卡在T1时间内电源不接通，从而避免了连接器的机械触点在接触瞬间出现弹跳引起的电源振荡；而热插拔板卡插入设备的时间大于T1后，NMOSFET的开始导通，但是由于RC延时电路的缓慢充电，从而可以限制热插拔板卡上大容量储能电容快速充电引起的浪涌电流。根据Q7的特性曲线可知，当Vc1(t)>Vgs≈3V后，导通电流能够达到设定的最大值，同时Q7的压降Vds<1V，根据上述公式可以求得Vc1(t)＝3V时，RC充电时间T2≈32.9ms。所以热插拔板卡电源电压从0V上升到接近-48V，需要时间大约T3＝T2-T1≈22.2ms，从而可以限制了大容量储能电容快速充电引起的浪涌电流；当热插拔板卡的使能信号为低电平或者过流、过压保护起效时，线与结果为低电平，此时MOSFET控制单元内部Q2将导通，电容C1的电荷将通过R5的通路快速放电，从而使NMOSFET快速关断，切断板卡电源负极，根据电容放电的公式可以计算得到NMOSFET的关断时间为T4＝-RC*ln(Vc1(t)/VIN)，即当电容C1两端电压Vc1(t)从48V降低到2.6V时，RC放电时间T4≈0.29ms，从而实现热插拔板卡电源快速关断。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；

所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；

所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；

所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；

所述使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。

2.根据权利要求1所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元的内部通过串联连接的电阻R7和稳压二极管D2产生过压保护信号，进而控制PMOSFET断开板卡电源正极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D2、PMOS管Q5、电阻R7、R11、R12和NMOS管Q6；

电阻R7的一端连接电源正极，电阻R7的另一端分别连接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，稳压二极管D2的正极连接电源负极，PMOS管Q5的源极连接电源正极，PMOS管Q5的漏极连接串联连接的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

3.根据权利要求2所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过流保护单元由三个通用放大器组成的仪用放大电路和一个漏极开路输出电路实现，仪用放大电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定电压阈值，即I大于设定阈值时，将快速关闭PMOSFET，从而切断板卡电源正极；其中，Vsense_p为采样电阻RS的高电压端的电压值，Vsense_n为采样电阻RS的低电压端的电压值，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；Vsense是过流保护单元的输入信号；

所述过流保护单元包括电阻R13、R14、R16、R19、R21，通用运算放大器U1～U3，NMOS管Q7；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，电阻R16和电阻R13的公共端连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，电阻R19和R21的公共端连接仪用放大电路的负极输入端；仪用放大电路的输出端经过电阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。

4.根据权利要求3所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路，用于在板卡插入设备过程中控制电源正极的PMOSFET短时间内断开，再缓慢开启PMOSFET；

当仅需使能关断信号或过压保护信号或过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭PMOSFET，切断板卡电源正极；

MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5、R10，PMOS管Q4，电容C1；

电阻R5的一端作为MOSFET控制单元的输入端，该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q7的漏极开路输出电路的线与信号线，其通过电阻R5和R3连接电源正极，电阻R5和R3的公共端连接PMOS管Q4的栅极，PMOS管Q4的源极通过电阻R4连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电容C1和电阻R10的公共端，该公共端同时连接电源正极开关Q1的栅极，电源正极开关Q1的源极连接采样电阻RS的低电压端，电源正极开关Q1的漏极连接负载正极，稳压二极管D1与电源正极开关Q1的源极和栅极并联；

所述使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R8、R9，NMOS管Q2和Q3；

电阻R1和R8串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R8的公共端连接NMOS管Q2的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q2的栅极，NMOS管Q2的源极连接电源负极，NMOS管Q2的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R9的公共端，电阻R2和R9的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

5.根据权利要求1所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输出端均与所述MOSFET控制单元的输入端连接，所述MOSFET控制单元的输出端与PMOSFET的栅极连接；

所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输入端均与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

所述使能控制单元的输入信号包括信号EN。

6.一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串接在电源负极的NMOSFET和采样电阻RS；

所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；

所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭NMOSFET，以切断板卡电源负极；

所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制NMOSFET断开板卡电源负极，实现过压保护；

所述使能控制单元用于实现NMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启NMOSFET接通板卡电源负极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭NMOSFET断开板卡电源负极。

7.根据权利要求6所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元的内部通过一个电阻串联稳压二极管电路产生过压保护信号，进而控制NMOSFET断开板卡电源负极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；

所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D4、PMOS管D4、电阻R8、R12、R15和NMOS管Q6；

电阻R8的一端连接电源正极，电阻R8的另一端分别连接稳压二极管D4的正极和PMOS管Q4的栅极，稳压二极管D4的正极连接电源负极，PMOS管Q4的源极连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接的电阻R12和R15，电阻R12和R15的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。

8.根据权利要求7所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过流保护单元由一个求差电路和一个漏极开路输出电路实现，求差电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p-Vsense_n，输出为Vo＝A×Vsense＝A×Rs×I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定的电压阈值，即I大于设定阈值时，MOSFET控制单元将快速关闭NMOSFET，从而切断板卡电源负极；其中，Vsense_p为输入电源电压，Vsense_n为电源经过采样电阻RS后的电压，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；

所述过流保护单元包括电阻R11、R13、R14、R16，通用运算放大器U1，NMOS管Q5；

采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R13和R11，电阻R13和R11的公共端连接通用运算放大器U1构成的求差电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n经过电阻R14连接求差电路的负极输入端，电阻R16为运算放大器的负反馈电阻；求差电路的输出端连接漏极开路输出NMOS管Q5的栅极。

9.根据权利要求8所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路在板卡插入过程中，用于控制电源负极的NMOSFET短时间内断开，再缓慢开启NMOSFET；

当使能关断信号、过压保护信号、过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭NMOSFET，切断板卡电源负极；

MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5，稳压二极管D1和D2，PMOS管Q2、电容C1、电源负极开关Q7；

串联连接的电阻R3和稳压二极管D1的公共端作为所述MOSFET控制单元的输入端；该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q5的漏极开路输出电路的线与信号线，并连接PMOS管Q2的栅极，PMOS管Q2栅极通过电阻R3连接电源正极，稳压二极管D1并联在PMOS管Q2的栅极和漏极之间，PMOS管Q2的源极通过电阻R5连接串联连接在电源正极与负极之间的电阻R4和电容C1的公共端，该公共端连接电源负极开关Q7的栅极电源负极开关Q7的源极连接采样电阻RS，电源负极开关Q7的漏极接负载负极，稳压二极管D2与电源负极开关Q7的栅极和源极并联；

所述使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R9、R10，NMOS管Q1和Q3；

电阻R1和R9串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R9的公共端连接NMOS管Q1的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q1的栅极，NMOS管Q1的源极连接电源负极，NMOS管Q1的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R10的公共端，电阻R2和R10的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。

10.根据权利要求6所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输出端均与所述MOSFET控制单元的输入端连接，所述MOSFET控制单元的输出端与NMOSFET的栅极连接；

所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输入端均与功率地连接，采样电阻RS的低电压端与电源负极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；

所述使能控制单元的输入信号包括信号EN。

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