【導讀】對于數據中心服務器、電信系統和網絡設備應用，不僅希望電源工程師們能設計出對系統至關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，縮短產品上市時間。
為了實現越來越小的占板面積需求，采用的元器件也變得越來越少。面對更短的產品上市時間，工程師不得不想方設法簡化設計。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新的解決方案，助力其應對上述設計挑戰。
熱插拔過程
與許多通信基礎架構一樣，高可用性和高可靠性是數據中心系統設計的關鍵要素。可插拔模塊和PCB（例如服務器和存儲設備）在電源接口需要采用保護和控制電路。可插拔模塊和PCB（例如服務器和存儲設備）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的作用，首先需了解熱插拔動作前后系統狀態的變化。圖 1 顯示的主機系統背板起初為完全通電狀態。在帶電系統中，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，會快速為板卡充電并對帶電系統進行放電。若對板卡的充電不進行控制, 會需要非常大的浪涌電流; 而對系統放電電流不控制, 會大大降低
圖 1：電信系統中分布式電源架構示例
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的響應。當板卡插入連接器后，板卡與系統正確配對需要幾毫秒的時間。當板卡插入后，卡上電容開始充電, 從帶電系統中吸收電流。一旦電容開始充電，板卡類似對地短路并出現非常大浪涌電流。這種浪涌電流對系統的要求很高，可能會導致系統電容放電以及系統電壓下降。熱插拔解決方案在不關閉系統電源的情況下，可以將卡/板插入或拔出, 而不影系統的正常工作。
設計挑戰
在服務器和存儲等應用中，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；故障監控診斷和保護以及高精度的電氣（電壓，電流，功率）和環境（溫度）參數，以便在模擬或數字域中提供實時系統遙測。尤其在服務器機架中的一個線卡/板發生故障時，故障應與特定線卡/板隔離，并且不得影響系統背板或由該帶電背板供電的其他線卡/板。
防止系統停機的最好方法是檢測、響應并盡快糾正潛在損壞故障。
傳統的熱插換保護控制電路設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，防止發生故障并擾亂其他系統。此種方法可以實現基本的保護要求。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，系統的穩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，其熱設計通常會超出設備保護的安全工作區（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，才能正確精準地進行電流監控和限流操作。
由于增加了系統的復雜性并且縮短了設計周期，設計資源變得更加緊缺，資源分配主要取決于開發系統的關鍵知識產權。這通常意味著只能在開發后期才能關注電源。
因為很難通過有限的電源設計專業知識來快速解決上述缺點，因此，越來越需要開發出可靠的熱插拔解決方案。理想的熱插拔解決方案應該具備小封裝、高性價比、高可靠性以及采用最簡單的設計等特質。
創新型解決方案
與傳統的分立式解決方案不同，MPS研發的單片解決方案—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量，簡化系統設計（見圖 3）。工程師僅需選擇正確的阻值來設置電流監控、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值即可。MP5023 還簡化了PCB的布局問題，優化了IC封裝里的MOSFET和采樣電阻連接。它可以內部補償Kelvin采樣過程中的不完整性和誤差，大大節省了工程師的工作時間和精力。
圖 3：MP5023典型應用電路
與分立式解決方案相比，MP5023 的優勢在于其采用了先進的單片制程，因此電流監控和限流精度得到了很好的控制。在各種溫度范圍內，它都能在10A至50A之間實現±1.5％的電流監控精度（見圖4）。
集成的MOSFET能夠監控管芯上的溫度以便及時關閉MP5023。一旦芯片進入過溫關斷保護，芯片會保持關閉狀態（鎖定保護）或在結溫降至過溫保護閾值以下后嘗試重新啟動（自動重啟）。PMBus會監控并讀取芯片溫度。因此，工程師無需過多地設計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。
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標準，可以提供簡單而靈活的配置方式、電路板和準確的系統控制，以及具體而精確的監控和遙測技術。PMBus接口還可以對一些參數進行編程，如電壓、電流、溫度和故障參數，并能讀取和報告實時信息。而且還可以動態調節這些參數。實時監控能夠全面了解方案的性能，讓工程師可以通過預測性分析來優化系統的運行時間，并在需要修復時使用更多數據分析, 來最小化停機時間。
結論
將上述因素結合到諸如 MP5023之類的熱插拔解決方案中，可以使系統運行適應當前的需求，既消除了重復的勞動密集型活動，又可以幫助工程師減少占板面積，加速產品上市。
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