隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）和邊緣計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)高數(shù)據(jù)吞吐量的需求日益增加。這推動(dòng)了服務(wù)器系統(tǒng)中高速處理器的應(yīng)用，而這些處理器需要更高的電流電平（超過(guò)250A）和更大的負(fù)載電容（20至30mF），以滿足瞬態(tài)負(fù)載分布的要求。

傳統(tǒng)熱插拔電路的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的熱插拔電路通常由熱插拔控制器、外部電流檢測(cè)電阻器和功率MOSFET組成。在系統(tǒng)故障期間，熱插拔控制器會(huì)將MOSFET保持在飽和區(qū)，以限制故障電流。然而，隨著系統(tǒng)電流的增加和輸出電容的增大，這種設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)镸OSFET處理功率應(yīng)力的能力有限。

熱插拔控制器通過(guò)功率限制方案（PLIM）實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，利用可編程故障計(jì)時(shí)器（TTIMER）確保MOSFET在其安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi)運(yùn)行。選擇合適的PLIM和TTIMER值至關(guān)重要，以確保所選MOSFET在其最大工作溫度下的SOA限制內(nèi)工作。如果無(wú)法找到合適的MOSFET，則必須選擇具有更高SOA的產(chǎn)品，這使得設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜且迭代。

混合熱插拔解決方案的優(yōu)勢(shì)

為了解決這些問(wèn)題，一種新的混合熱插拔解決方案被提出，它結(jié)合了常規(guī)熱插拔控制器和電子保險(xiǎn)絲。該方案不僅提供了強(qiáng)大的過(guò)流保護(hù)，還在任何故障情況下保護(hù)了MOSFET。

圖1展示了熱插拔控制器中的功率限制環(huán)路，包括電流檢測(cè)放大器和電壓檢測(cè)電路，用于監(jiān)測(cè)FET的功率損耗，并調(diào)節(jié)柵極電壓以確保功率損耗始終低于PLIM。

圖1

然而，較高的功率限制設(shè)置雖然降低了FET上的應(yīng)力，但也減少了熱插拔控制器能夠限制的電流量，導(dǎo)致電流檢測(cè)放大器的誤差增大。方程1給出了大多數(shù)熱插拔控制器所需的最低檢測(cè)電壓（VSNS-MIN）：

其中，VSNS_CL是電流限制檢測(cè)電壓，VIN_MAX是最高的輸入電壓，ILIM_CL是電流限制設(shè)置閾值。

對(duì)于高電流應(yīng)用，需要設(shè)置更高的PLIM，這意味著需要更高SOA的MOSFET，增加了設(shè)計(jì)難度。例如，在12V、250A的設(shè)計(jì)中，要求FET能在100°C下處理560W的功率應(yīng)力持續(xù)1ms，現(xiàn)有的商用FET難以達(dá)到這一要求。

大容性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

對(duì)于大容性負(fù)載的設(shè)計(jì)，輸出(dv/dt)控制電路在啟動(dòng)期間處理FET功率應(yīng)力至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)整Cdv/dt的值，可以限制柵極和輸出電壓的壓擺率，從而減少浪涌電流。然而，較大的Cdv/dt會(huì)延遲故障檢測(cè)時(shí)間，增加FET承受的SOA應(yīng)力，尤其是在短路阻抗較高時(shí)。

圖2展示了帶有輸出dv/dt控制的典型啟動(dòng)波形。為了確保FET保持在其SOA范圍內(nèi)，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)膲簲[率和Cdv/dt值。

圖2

混合熱插拔解決方案的工作原理

圖3展示了混合熱插拔配置，其中電子保險(xiǎn)絲與傳統(tǒng)熱插拔電路并聯(lián)。電子保險(xiǎn)絲利用其集成的過(guò)熱保護(hù)功能應(yīng)對(duì)高應(yīng)力事件，同時(shí)確保下游負(fù)載僅在熱插拔FET完全增強(qiáng)后啟用。

圖3

啟動(dòng)階段：電子保險(xiǎn)絲首先充電輸出電容，然后熱插拔FET導(dǎo)通，提供低阻抗路徑。

故障情況：電子保險(xiǎn)絲在所有故障情況下承受功率應(yīng)力，而熱插拔FET不受影響。

圖4說(shuō)明了啟動(dòng)期間及不同故障情況下的電路功能，詳細(xì)描述了各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

實(shí)際應(yīng)用案例

一個(gè)使用LM25066 熱插拔控制器和TPS1663電子保險(xiǎn)絲的示例混合熱插拔電路（如圖5所示）已被驗(yàn)證，適用于12V輸入、250A負(fù)載電流和30mF輸出電容的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖5

結(jié)論

隨著服務(wù)器系統(tǒng)的功率水平不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的熱插拔設(shè)計(jì)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。混合熱插拔解決方案通過(guò)引入電子保險(xiǎn)絲，不僅解決了傳統(tǒng)保護(hù)電路在高功率級(jí)別下的難題，還簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，顯著降低了成本。該方案在各種故障情況下均能有效保護(hù)熱插拔FET，確保系統(tǒng)可靠性和安全性。因此，采用混合熱插拔方案是應(yīng)對(duì)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心高電流需求的有效途徑。

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