【導讀】本文詳細分析了直流升壓電路中熱插拔保護電路的設計與實現。本文詳解了電路參數設計、開關波形以及設計實例。經驗證，利用熱插拔保護電路芯片，避免了直流升壓電路在輸出過流短路的故障和缺陷，可靠性大大提高。
熱插拔保護電路通常用于服務器、網絡交換機、以及其他形式的通信基礎設施等高可用性系統。這種系統通常需要在帶電狀態下替換發生故障的電路板或模塊，而系統照樣維持正常運轉，這個過程稱為熱插拔（Hot Swapping）。本文將闡述熱插拔控制器的另一種用法，利用熱插拔保護電路具有的過流和短路保護功能，解決開關直流升壓電路的輸出端保護問題。
1 開關直流升壓電路的基本原理
開關直流升壓電路（The Boost Converter或者Step-up Converter），是一種開關直流升壓電路。輸出電壓高于輸入電壓，輸出電壓極性不變，基本電路圖如圖1所示。
圖1 開關直流升壓電路
開關管導通時，電源經由電感-開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。
輸出過流時，電路會采樣開關管的峰值電流，減小占空比，導致輸出電壓下降。當輸出電壓降到輸入電壓時，過流保護不再受控，保護失效。另外輸出過流點還會隨著輸入電壓升高而變大。當輸出短路時，輸入電源會通過電感、升壓二極管形成短路回路，導致電源故障。BOOST電路還有一個缺陷是不方便控制關閉輸出，當控制芯片關閉，開關管截止時，輸出仍然有電壓，不像BUCK電路，很方便的將輸出電壓降到0 V.
2 熱插拔控制器的基本原理
熱插拔（Hot-Plugging或Hot Swap）即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關閉系統，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的電源或板卡等部件，從而提高了系統對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性。如果沒有熱插拔控制器，負載端的模塊插拔時，會對電源產生浪涌電流的沖擊，影響電壓的穩定與電源的可靠性。這個問題可通過熱插拔控制器來解決，熱插拔控制器能合理控制浪涌電流，確保安全上電間隔。上電后，熱插拔控制器還能持續監控電源電流，在正常工作過程中避免短路和過流。
3 關鍵電路設計與實例
3.1電源要求
電源實例如圖2所示，其中的電源輸入9~18 V，額定輸出28 V/1.2 A，過流保護1.5 A.
圖2 電源實例
3.2電路簡介
這是一款用了TPS2491熱插拔控制芯片的升壓電路，帶有輸出過流短路保護，當遙控端CTL接地時，電源進入待機模式，輸出為零。
熱插拔控制器包括用作電源控制主開關的N溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻以及熱插拔控制器TPS2491三個主要元件，如上圖2所示。熱插拔控制器用于實現控制MOSFET導通電流的環路，其中包含一個電流檢測比較器。電流檢測比較器用于監控外部檢測電阻上的電壓降。當流過檢測電阻上產生50 mV以上電壓的電流將導致比較器指示過流，關閉MOSFET.TPS2491具有軟啟動功能，其中過流基準電壓線性上升，而不是突然開啟，這使得負載電流也以類似方式跟著變化。
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TPS2491內部集成了比較器及參考電壓構成的開啟電路用于使能輸出。比較器的開啟電壓為1.35 V，關閉電壓1.25 V，有0.1 V的滯差保證工作的穩定。通過分壓電阻精確設定了使能控制器所必須達到的電源電壓。器件一旦使能，MOSFET柵極就開始充電，這種電路所使用的N溝道MOSFET的柵極電壓必須高于源極。為了在整個電源電壓（VCC）范圍內實現這個條件，熱插拔控制器集成了一個電荷泵，能夠將GATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來使能MOSFET，并需要下拉電流來禁用MOSFET.較弱的下拉電流用于調節，較強的下拉電流則用于在短路情況下快速關閉MOSFET.
熱插拔控制器還有一個模塊為定時器，它限制過流情況下電流的調節時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標出這個范圍，或稱作安全工作區（SOA）。
圖3 MOSFET安全工作區
定時器還決定控制器自動重啟的時間，故障導致關閉MOSFET，經過16個振蕩周期后，芯片重新使能輸出。
3.3設計過程
選擇合適的電容，保證輸出啟動時能完成輸出電容的充電且不引起故障保護的動作。
（5）選擇使能啟動電壓
EN端啟動電壓為1.35 V，關閉電壓為1.25 V.利用此引腳，可以做輸入欠壓保護；設計分壓電阻為240 kΩ和13 kΩ，開啟電壓為26.3 V，在24.3 V時關閉。
（6）其他參數
GATE驅動電阻，為了抑制高頻振蕩，通常取10Ω；PG端上拉電阻，保證吸收電流小于2 mA，在本設計中不需要，懸空處理；Vcc端旁路電容，取0.1μF.
電源使能端串聯一個二極管BAV70，低電平時可以關閉升壓電路和電源輸出。
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4 測試結果和各測試點的工作波形
測試結果為過流保護動作點：1.45 A；輸出長期短路無損壞，短路去除恢復輸出；遙控端使能工作正常。
上電時各個測試點波形如圖4所示。
圖4 上電波形
圖4中CH2是升壓后的電壓，當輸入加電，升壓電路立即工作，很快達到28 V.為了防止后極負載的浪涌電流對MOSFET的沖擊，可以看到驅動電壓（CH1）是緩慢上升的，輸出電壓（CH3）也是跟隨緩慢上升。在啟動過程中，很明顯看到MOSFET的驅動電壓不高，MOSFET工作于線性區，同樣可以抑制輸出端電流的增大，有效保護MOSFET在啟動過程中不過載。
正常工作時的各點電壓如圖5所示。由圖5可以看到，正常工作時，輸出電壓（CH3）等于升壓后的電壓（CH2），MOSFET驅動電壓（CH1）比輸出電壓高了14 V，可以保證MOSFET良好導通，降低熱耗和壓差。
圖5 正常工作波形
當負載過流或短路時的波形如圖6所示。由圖6可以看到，當輸出過流或短路時，MOSFET驅動電壓（CH1）迅速下降，導致輸出電壓（CH3）跟著下降，有效的保護電源的安全。經過2 s的重啟周期后，驅動電壓有個小小的試探電壓，如果故障仍然存在，重啟不成功，驅動電壓又恢復到零。反之重啟成功，正常輸出。如圖7所示。
圖6 故障保護波形
圖7 電源重啟波形
實踐證明，基于TPS2491熱插拔控制器的保護控制電路具有電路簡單可靠，應用方便的特點。本電路應用于開關直流升壓電路中，完美解決了原來沒有輸出過流短路保護以及不能遙控輸出的缺陷，收到了良好效果。相關閱讀：
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