【導(dǎo)讀】對于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)用，不僅希望電源工程師們能設(shè)計出對系統(tǒng)至關(guān)重要的保護和控制電路，同時還希望他們能最大限度地減少占板空間，縮短產(chǎn)品上市時間。
為了實現(xiàn)越來越小的占板面積需求，采用的元器件也變得越來越少。面對更短的產(chǎn)品上市時間，工程師不得不想方設(shè)法簡化設(shè)計。MPS 最新推出的一款集成PMBus 接口的熱插拔解決方案 MP5023，為工程師提供了一種創(chuàng)新的解決方案，助力其應(yīng)對上述設(shè)計挑戰(zhàn)。
熱插拔過程
與許多通信基礎(chǔ)架構(gòu)一樣，高可用性和高可靠性是數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要素。可插拔模塊和PCB（例如服務(wù)器和存儲設(shè)備）在電源接口需要采用保護和控制電路。可插拔模塊和PCB（例如服務(wù)器和存儲設(shè)備）在電源接口需要采用保護和控制電路。通常將此電路稱之為熱插拔控制電路。想要了解熱插拔控制電路對系統(tǒng)的作用，首先需了解熱插拔動作前后系統(tǒng)狀態(tài)的變化。圖 1 顯示的主機系統(tǒng)背板起初為完全通電狀態(tài)。在帶電系統(tǒng)中，所有的大容量電容和旁路電容都已充滿電。將未充電的板卡插入帶電系統(tǒng)，會快速為板卡充電并對帶電系統(tǒng)進行放電。若對板卡的充電不進行控制, 會需要非常大的浪涌電流; 而對系統(tǒng)放電電流不控制, 會大大降低
圖 1：電信系統(tǒng)中分布式電源架構(gòu)示例
熱插拔解決方案可以很好地控制板卡的上電時序和管理系統(tǒng)的響應(yīng)。當(dāng)板卡插入連接器后，板卡與系統(tǒng)正確配對需要幾毫秒的時間。當(dāng)板卡插入后，卡上電容開始充電, 從帶電系統(tǒng)中吸收電流。一旦電容開始充電，板卡類似對地短路并出現(xiàn)非常大浪涌電流。這種浪涌電流對系統(tǒng)的要求很高，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)電容放電以及系統(tǒng)電壓下降。熱插拔解決方案在不關(guān)閉系統(tǒng)電源的情況下，可以將卡/板插入或拔出, 而不影系統(tǒng)的正常工作。
設(shè)計挑戰(zhàn)
在服務(wù)器和存儲等應(yīng)用中，熱插拔解決方案的特點通常包括：在插入和拔出過程中，對帶電電路板浪涌電流的安全控制；故障監(jiān)控診斷和保護以及高精度的電氣（電壓，電流，功率）和環(huán)境（溫度）參數(shù)，以便在模擬或數(shù)字域中提供實時系統(tǒng)遙測。尤其在服務(wù)器機架中的一個線卡/板發(fā)生故障時，故障應(yīng)與特定線卡/板隔離，并且不得影響系統(tǒng)背板或由該帶電背板供電的其他線卡/板。
防止系統(tǒng)停機的最好方法是檢測、響應(yīng)并盡快糾正潛在損壞故障。
傳統(tǒng)的熱插換保護控制電路設(shè)計方法是使用分立元件。通常分立式熱插拔解決方案會包括一個控制IC、功率器件（如 MOSFET）、以及采樣電阻，用來管理背板和主板之間的功率流動，防止發(fā)生故障并擾亂其他系統(tǒng)。此種方法可以實現(xiàn)基本的保護要求。但分立式解決方案的短板也是眾所周知的，比如：
● 元件使用量多，占版面積大。元件越多，系統(tǒng)的穩(wěn)健性和可靠性就越受影響。
● 分立式方案的MOSFET沒有熱保護功能。在極端條件下，其熱設(shè)計通常會超出設(shè)備保護的安全工作區(qū)（SOA）限制。
● 故在PCB布局時需格外小心。工程師必須了解Kelvin電流采樣技術(shù)，才能正確精準(zhǔn)地進行電流監(jiān)控和限流操作。
由于增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并且縮短了設(shè)計周期，設(shè)計資源變得更加緊缺，資源分配主要取決于開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵知識產(chǎn)權(quán)。這通常意味著只能在開發(fā)后期才能關(guān)注電源。
因為很難通過有限的電源設(shè)計專業(yè)知識來快速解決上述缺點，因此，越來越需要開發(fā)出可靠的熱插拔解決方案。理想的熱插拔解決方案應(yīng)該具備小封裝、高性價比、高可靠性以及采用最簡單的設(shè)計等特質(zhì)。
創(chuàng)新型解決方案
與傳統(tǒng)的分立式解決方案不同，MPS研發(fā)的單片解決方案—MP5023 是一款16V熱插拔解決方案，它集成了MOSFET和采樣電阻以及一個可以處理50A電流的PMBus接口，并且所有元器件均集成在一個單獨的硅片中 （見圖2）。MP5023 采用小型 QFN(4mmx5mm) 封裝。
圖 2：MP5023 對比分立式熱插拔解決方案
MP5023 可以最大限度地減少外部元器件的使用數(shù)量，簡化系統(tǒng)設(shè)計（見圖 3）。工程師僅需選擇正確的阻值來設(shè)置電流監(jiān)控、限流功能和PMBus地址、以及用于軟啟動和其他定時功能的正確電容數(shù)值即可。MP5023 還簡化了PCB的布局問題，優(yōu)化了IC封裝里的MOSFET和采樣電阻連接。它可以內(nèi)部補償Kelvin采樣過程中的不完整性和誤差，大大節(jié)省了工程師的工作時間和精力。
圖 3：MP5023典型應(yīng)用電路
與分立式解決方案相比，MP5023 的優(yōu)勢在于其采用了先進的單片制程，因此電流監(jiān)控和限流精度得到了很好的控制。在各種溫度范圍內(nèi)，它都能在10A至50A之間實現(xiàn)±1.5％的電流監(jiān)控精度（見圖4）。
集成的MOSFET能夠監(jiān)控管芯上的溫度以便及時關(guān)閉MP5023。一旦芯片進入過溫關(guān)斷保護，芯片會保持關(guān)閉狀態(tài)（鎖定保護）或在結(jié)溫降至過溫保護閾值以下后嘗試重新啟動（自動重啟）。PMBus會監(jiān)控并讀取芯片溫度。因此，工程師無需過多地設(shè)計MOSFET和熱保護，即可在極端故障條件下將器件保持在SOA限制內(nèi)。
圖 4：IMON 增益精度對比輸出電流和溫度
MP5023 含有一個PMBus接口且能兼容PMBus 1.3標(biāo)準(zhǔn)，可以提供簡單而靈活的配置方式、電路板和準(zhǔn)確的系統(tǒng)控制，以及具體而精確的監(jiān)控和遙測技術(shù)。PMBus接口還可以對一些參數(shù)進行編程，如電壓、電流、溫度和故障參數(shù)，并能讀取和報告實時信息。而且還可以動態(tài)調(diào)節(jié)這些參數(shù)。實時監(jiān)控能夠全面了解方案的性能，讓工程師可以通過預(yù)測性分析來優(yōu)化系統(tǒng)的運行時間，并在需要修復(fù)時使用更多數(shù)據(jù)分析, 來最小化停機時間。
結(jié)論
將上述因素結(jié)合到諸如 MP5023之類的熱插拔解決方案中，可以使系統(tǒng)運行適應(yīng)當(dāng)前的需求，既消除了重復(fù)的勞動密集型活動，又可以幫助工程師減少占板面積，加速產(chǎn)品上市。
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