熱插拔技術在模塊化電源系統中的應用

張志鵬　韓崇偉　曹雷

摘 要：為了解決大功率模塊化電源系統中可更換電源模塊在帶電狀態下的快速更換維修問題，本文首先闡述了熱插拔技術的基本概念及工作原理，并分析目前熱插拔技術的實現方法，然后設計了一種基于短針信號的熱插拔電路，最后通過軟件仿真和實物實驗驗證了該熱插拔電路正確性和有效性，并成功應用于模塊化電源系統中，有效提高了電源系統的可靠性和維修性。

關鍵詞：熱插拔；模塊化；電源系統

Abstract： For resolving rapid replaced problem of Replaceble Power Module under power supplying， in modular high-power system. The paper introduces the basic concept and principle of Hotswap-technique， and analysis on the methods to realize Hotswap circuit.then build up the Hotswap circuit based on short pins. The accuracy of Hotswap circuit is verified by simulation and testing， and has been successfully applied to modular high-power system， the circuit improves the reliability and rapid maintainability of the power system effectively.

Key words： Hot-swap； Module； Power system

中圖分類號：TP336 文獻標識碼：A

在大功率模塊化電源系統（其結構如圖1所示）中，常常通過電源模塊的并聯來增大電源系統的輸出功率。為了進一步提高電源系統的可靠性和快速維修性，不僅需要可更換電源模塊的冗余設計，還需要在整個電源系統不斷電情況下插入或拔出其中的某個可更換電源模塊，而不能影響電源系統的正常運行，實現可更換電源模塊的快速更換，這就要求可更換電源模塊具有熱插拔功能。

正常情況下，無熱插拔功能的電源模塊不能在電源系統不斷電的情況下進行插拔。由于可更換電源模塊硬件電路板中存在大量的電感和電容，如果電源模塊進行帶電插拔，經常會給電源線帶來很大的瞬間電壓、浪涌電流、靜電釋放等問題，而電源線上的浪涌電流對電源模塊電路沖擊很大，很可能損壞電源模塊，造成整個系統損壞或崩潰；除此之外，由于模塊化電源系統中各個電源模塊之間有信號通信，如果進行帶電插拔，在信號線上會產生的瞬間電壓變化，可能會致使電源系統通信異常，為此本文將針對于上述可更換電源模塊熱插拔時存在的問題進行研究。

1 熱插拔基本概念

熱插拔（Hot Swap）即帶電插拔，指的是在不關閉系統電源的情況下，將模塊、板卡插入或拔出系統而不影系統的正常工作，從而提高了系統的可靠性、快速維修性、冗余性和對災難的及時恢復能力等。對于大功率模塊化電源系統而言，熱插拔技術可在維持整個電源系統電壓的情況下，更換發生故障的電源模塊，并保證模塊化電源系統中其他電源模塊正常運作。

大功率模塊化電源系統簡化模型如圖2所示，其中左邊代表系統供電電源及負載，右邊為n個可更換電源模塊。C0為負載的輸入電容，C1、C2…Cn為各電源模塊中DCDC模塊的輸入電容。假設除電源模塊n以外，其他電源模塊均插入背板，系統處于穩定工作狀態。此時，除Cn外其他電容均被充滿。當電源模塊n插入系統背板時，背板電源母線上會出現一個很大瞬間浪涌電流對Cn電容充電，這樣大的浪涌電流可能會對板邊插頭、走線以及電容器造成損害。同時，較大的浪涌電流在線路上產生的壓降，使輸出電壓瞬時下降，引起輸出電壓不穩。若浪涌電流超出系統承受能力，系統電壓會在瞬間下降，整個系統崩潰。同理，在電源模塊的信號線上也會引起電壓下降，造成通訊中斷或異常。

2 熱插拔原理

根據熱插拔的定義，熱插拔應該包括電源熱插拔和信號熱插拔兩方面。

要實現電源熱插拔，就是要將電源母線上的瞬態浪涌電流控制在比較低的水平。當可更換電源模塊加入電源熱插拔設計時，電源母線上的瞬態浪涌電流被限制在一個較低的水平，同時也不會造成整個系統電壓下降，避免了熱插拔過程給電源系統帶來的危害，從而實現電源熱插拔的目的。由此可見，電源熱插拔功能主要通過限流來實現。實現方法主要有兩種：一種是PTC電阻（正溫度系數熱敏電阻）限流，PTC電阻依靠本身的電流發熱改變阻抗，從而降低電流的幅度，其缺點是反應速度慢，而且長時間使用會影響使用壽命；另一種是MOS管通斷法，此方法反應速度快，使用壽命長。

信號熱插拔的目的是將信號線與系統處理器進行適當“隔離”，并在模塊斷電之前終止一切通信。當電源模塊沒有加入信號熱插拔設計時，信號線上產生瞬變電壓，可能導致系統通信異常。當加入信號熱插拔設計后，瞬變電壓被限制在合理水平，并預先通知系統處理器終止通信任務，實現信號熱插拔。目前，信號熱插拔功能主要通過信號線串聯緩沖器來實現。綜合考慮，本文選用MOS管通斷法來實現電源熱插拔，并通過短針信號來實現信號熱插拔。

3 熱插拔電路設計

熱插拔電路包括四個單元：電流采樣單元、控制單元、開關單元和短針信號單元。其中，電流采樣單元采用精密采樣電阻實現，開關單元采用N通道場效應管（MOS管）實現，控制單元通過比較器實現，短針信號單元通過短針和光耦實現。其電路示意圖如圖3所示。

在電源與負載之間串聯一個采樣電阻和N通道MOS管，控制電路根據采樣電阻檢測到的電流大小以及延時電容的電荷量來控制MOS管的開通時間和開通狀態，從而避免瞬態浪涌電流的沖擊，保證系統的安全性以及穩定性，實現電源熱插拔功能；同時通過短針信號判斷模塊插入或拔出動作，并在模塊斷電之前通知CPU終止通信。

熱插拔應用電路如圖4所示，其中短針比長針短3mm左右，R1為采樣電阻，C1為延時電容，D1、D2、D3為穩壓二極管，R2、R3、R4、R5和U1A組成差分放大器，R6、R8和U1B組成電壓比較器，R7和Q2組成參考電壓，R9主要用于抑制高頻干擾，R11和C2主要用于延緩MOS管Q1的開啟速率，R13、R12、U3和短針主要用于預先檢測電源模塊插入和拔出動作，當短針未連接時，Hotswap信號為高電平；當短針連接時，Hotswap信號為低電平。

結合圖4，當可更換電源模塊插入背板連接器時，正常針先接觸，輸入電壓增加，電流I0流過采樣電阻R1轉變為采樣電壓U0并開始對延時電容C1充電，C1充電完成后，R2、R3、R4、R5和U1A組成差分放大器對采樣電壓U0進行差分放大，R6、R8和U1B組成的電壓比較器對放大后的采樣電壓U1與R7、Q2組成參考電壓U2進行比較：如果U1大于U2，即電源母線上出現大電流，電壓比較器U2A輸出低電平，MOS管Q1截止；如果U1小于U2，即電源母線上電流減小至合理水平，電壓比較器U2A輸出高電平，并通過R11對C2進行充電，此時MOS管Q1處于線性工作區，輸出電壓緩慢上升，最后進入正常工作模式。

信號熱插拔是通過短針、短針信號和軟件來實現的。如圖4所示，當可更換電源模塊插入背板連接器時，正常針先接觸，短針未連接，Hotswap信號為高電平；繼續插入，短針開始連接，Hotswap信號為低電平，CPU接收低電平后開始初始化通信，進入正常工作狀態；整個系統處于工作狀態，Hotswap信號為低電平。當可更換電源模塊拔出背板連接器時，短針先斷開，其他針未斷開，Hotswap信號為高電平，CPU接收高電平后立即卸載驅動，終止通信，實現了信號熱插拔。

根據電源系統需求，單個電源模塊額定輸出電壓24V，額定輸出電流為1.1A，最大允許電流ILIM為5A，Q3采用TL431穩壓三極管為系統提供2.5V的參考電壓U2，放大比例R4/R2取50。

3.1 采樣電阻

3.2 MOS管

MOS管的選擇必須滿足電壓大于24V，電流大于5A，功率大于28.8W（24V× 1.2A=28.8W），最終采用美國國際整流器IR公司的IRF540n場效應管，其參數為最大電流22A，最大電壓100V，最大功率94W。

3.3 光耦

光耦必須選擇耐壓耐大電流的高速光耦，以保證短針信號的快速響應傳輸。最終采用日本東芝公司的TLP291高速光耦，轉換速率可達10m/s。

3.4 延遲時間電容

3.5 其他元件的選擇

U1選用高精度低失調電壓的精密運算放大器OP07，U2選用高增益寬頻帶的電壓比較器，R2、R3取1kΩ，R4、R5取50kΩ，R7取100Ω，R6、R7為限流電阻，取4.7kΩ，R8為上拉電阻，取10kΩ，R9為10Ω，R11取10k，C2取10nf，D1、D4取24V穩壓管。

最終熱插拔電路如圖5所示。

4 仿真與實驗

根據以上設計，使用德州儀器公司的電路仿真軟件TINA-TI對圖5所示熱插拔電路進行仿真，圖6為有負載的情況下輸入電壓VIN，負載電流IRLOAD、輸出電壓VOUT的仿真波形圖。

圖6仿真波形與第3章節理論分析相符，0～50ms模塊未插入，輸入電壓、輸出電壓均為0V；50ms時刻模塊開始插入，輸入電壓瞬間增至24V，外部MOS管保持截止狀態，輸出電壓為0V，此刻延時電容C1由開始充電，150ms時刻延時電容C1充電完成。采樣電阻將電流轉換為采樣電壓差分放大后與2.5V參考電壓比較，采樣電壓小于2.5V，比較器輸出24V高電平對電容C2進行充電，MOS管驅動電壓、輸出電流IRLOAD和輸出電壓VOUT開始以相同斜率上升，20ms后輸出電壓VOUT上升至24V，輸出電流IRLOAD上升至1.1A此后保持不變；400ms時刻模塊拔出，輸入電壓為0V，輸出電壓和輸出電流迅速降至0。由3.4節可知，C1越大，啟動延時時間越長，進一步增大C1電容值為500nf，仿真波形如圖7所示，由仿真波形可以看出啟動延時時間由100ms增加到250ms，仿真結果與理論分析一致。同理，C2越大，輸出電壓上升速率越慢，進一步增大C2電容值為50nf，仿真波形如圖8所示，由仿真波形可以看出輸出電壓上升時間由20ms增加到50ms，仿真結果與理論分析一致。

圖9為滿載條件下，加入熱插拔設計和不加入熱插拔設計時負載電流的仿真圖。由圖9可知，當未加入熱插拔設計時，系統上電后電源母線上會瞬間產生12A的浪涌大電流，這可能會對系統硬件造成很大的損壞；當加入電源熱插拔設計時，系統上電后，延遲250ms才開始有負載電流，負載電流上升至4A后開始緩慢下降，大約40ms后負載電流下降至1A，整個過程浪涌電流被限制在4A以下，遠低于未加入電源熱插拔時的12A。

為了進一步研究以上熱插拔設計的實際應用效果，本文進行熱插拔實物實驗。在電源熱插拔實驗中，將加入熱插拔設計電源模塊分別插入電源背板，背板電源為24V，用示波器監測電源模塊插入背板時對應的背板電壓Vb，輸入電壓Vin，負載電壓Vout和負載電流Iout的波形，如圖10所示，實驗與仿真波形一致，模塊上電后，熱插拔芯片延遲250ms給負載電路供電，整個過程浪涌電流低于4A，實現了電源熱插拔。

在信號熱插拔的實驗中，用示波器監測正在進行RS485通信的電源模塊拔出時的負載電壓Vout和RS485信號波形，如圖11所示。由圖11可見，實驗波形與理論分析一致，模塊拔出之前終止模塊與系統的通信，拔出后Vout迅速下降至0V。

結語

本文首先介紹了熱插拔的基本概念和工作原理，說明了在電源系統中加入熱插拔設計，不僅可以在系統不斷電情況下實現電源模塊的快速更換維修，還提高了電源系統的可靠性和快速維修性。通過分析帶電插拔給電源系統帶來危害的原因及過程，設計出一種基于短針信號的熱插拔電路，通過MOS管限流和光耦“隔離”的方式實現熱插拔功能，通過搭建該電路仿真模型，驗證該熱插拔電路設計的正確性，最后通過實驗驗證了該熱插拔電路設計的有效性和實用性，并成功應用于可更換電源模塊中，有效提高了模塊化電源系統的快速維修性和可靠性。

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