电路热插拔控制的目的是为了在一块正在工作的电路板上添加或“插入”一块未通电的电路板，不会中断原电路板正在进行的工作状态，并且同时启动添加到系统中的那块电路板的有序上电。主要目的是为了当电流转入一块插入到“正在工作”或带电的背板或其他电路的电路板时，保护MOSFET器件。

目前有许多商业的集成电路可以实现单独的热插拔或即插即用控制功能。这些器件在一组特定的电压/电流输入范围条件下有最佳的表现。使用这些电路，编程需要进一步考虑电路板的其他参数变化。编程由用户实现，用户必须慎重选择外部电阻和电容来控制斜率、过/欠压限制和其他关键参数。

本文将研究一种通用的热插拔控制器，与其他控制器相比，软件可编程的条件更广泛。它会详细说明使用的算法，为用户提供使用一个热插拔控制器件的最大的灵活性。最后，通用电源/平台管理控制器的优势可以成为可编程器件的集成功能集的一部分，为设计师们提供更大的价值和易用性。

热插拔控制器是如何工作的？

热插拔控制器用于在电路板插入带电的背板时，限制浪涌电流。此外，这些器件提供了电路板的过流、过压和欠压保护。图1显示了用于正电压电源背板的典型热插拔控制器的实现框图。RS是电流检测电阻。MOSFET Q1用来控制电路板上从背板到负载的电流。电阻R1、R2和R3用于监测背板的过压和欠压情况。

当背板电压瞬时降至低于低工作电压（欠压）阈值（例如，持续约10ms）时，使用释抑电容CH为电路板供电。这个电容是使得电路板不受到其他电路板热插入或热拔出系统时所引起的背板电压下降的关键。



图1——正电压热插拔控制器
一旦当卡插入通电的背板时就会发生一系列事件。首先，会有大电流从背板流入释抑电容CH。热插拔控制器通过控制MOSFET栅极上的电压限制浪涌电流，使用RS上的电压作为反馈电压。MOSFET将在这个线性或部分工作的电流限制模式下工作，直到电容CH完全充电。

在短暂的电容充电时间内，从背板流入的浪涌电流往往会比电路板的正常工作电流大得多。因此，当其他卡插入背板时，背板电压可能会立即降至低于欠压阈值。系统中其他卡上的电容CH中储存的电荷，可用于在这个短暂的电压骤降期间，继续共享背板电压，保证系统的正常工作。

热插拔控制器还需要将背板与电路板隔离，以防止操作过程中电路板本身发生故障。为此，热插拔控制器将监测通过其检测电阻RS的电流。当电阻RS上的电压超出其阈值电压，热插拔控制器将关断MOSFET。这有时被称为断路器功能。如果背板电压降到低于欠压阈值或升到超过过压阈值，通过关断MOSFET来停止为负载供电。

对热插拔电路设计的考虑

当释抑电容充电时，热插拔控制电路中的MOSFET须承受大的功耗。对实现这一目的的MOSFET的选取取决于其安全工作区（SOA）曲线。

当电路板发生故障时，通过MOSFET的电流会显著增加。如果MOSFET不能迅速关闭，通过MOSFET的峰值功耗可能会损坏它。热插拔控制器还需要监测过流情况，并触发折返式限流机制或关闭MOSFET。通常在大电流条件下，应在大约1us内关闭MOSFET。一些热插拔控制器用“重试”来使电路板重新开始工作，如果电路板发生故障后自行清除。热插拔控制器还必须监测低压情况并在这类情况发生时隔离这块电路板。

使用电源管理器件的热插拔控制器

许多种热插拔控制器使用不同的电流控制和其他监控机制。通常，一个热插拔控制器的复杂性取决于电路板的功耗要求。下面章节说明了如何使用电源管理或平台管理器件在实际应用中实现从简单到复杂的热插拔控制器。

带有迟滞电流限制机制的热插拔控制器

当为更大功耗的电路板设计热插拔控制器，或者有以下任一或两种情况都存在时：
1.热插拔操作时，确保满足MOSFET的安全工作区域限制。
2.必须限制背板浪涌电流，防止插入到系统时，同一系统中的其他电路板受到干扰。
在这两种情况下，应使用下面的电路（图2）。该电路从MOSFET Q1打开开始工作。电流开始上升对电容CH充电。当电流超过预设值，热插拔控制器中的逻辑电路会关闭MOSFET。此时，电流开始下降。当电流低于预设值，热插拔控制器中的逻辑电路会打开MOSFET，并且电流开始再次上升。这种通过打开/关闭MOSFET来限制电流到某一预设值的方法称为迟滞模式。

图2——带有迟滞电流限制的热插拔控制器

在短路条件下关闭MOSFET
为了防止背板流出的电流过大，并且为了保护MOSFET防止短路时功耗过大，从而对MOSFET造成损害，MOSFET应在电流达到危险电流1us内关闭。在图2中，当通过5V电源的电流超过短路电流限制时，电源管理器件的数字输入引脚IN1由晶体管Q2驱动为逻辑0。当通过RS的电流达到短路电流时，R2两端的电压为0.7V。电源管理器件中的逻辑电路在200ns内就可将MOSFET关闭。

迟滞控制机制的工作原理
图3显示了MOSFET Q1栅极驱动电压、通过MOSFET的电流以及电容CH两端的电压图。当Hyst_Ctrl信号打开，Q1的栅极电容开始充电。同时，通过MOSFET的电流也开始增加。通过MOSFET的电流通过检测电阻RS。电流检测放大器（CSA）输出电流与RS分到串联电阻R1和R2上的电压降成正比。R1和R2两端的压降情况是由电源管理器件通过信号I_In（VMON引脚之一）进行监测。当通过RS的电流超过允许的最大限值（IH）时，VMON引脚的比较器输出翻转。因此，CPLD中的逻辑关闭Hyst_Ctrl引脚。当Hyst_Ctrl引脚为逻辑0时，MOSFET的栅极开始放电，通过MOSFET通道节流，并且通过MOSFET的电流开始下降。I_In引脚的电压降低。当电压下降至低于I_In引脚阈值（IL），电源管理器件中的逻辑重新打开MOSFET。

这种循环节流方式保持平均电流为电流阈值设置所决定的值。这种技术提供了线性电流控制的许多优点，且避免了许多潜在的稳定性的问题。

图3还说明了MOSFET工作的三个区域。第一个区域是当CH电压比较低，转换Q1的导通截止状态。通过Q1的平均电流大约是2A，并且由软件设计工具中的逻辑进行控制，用以构建电源/平台管理器件工作的简单逻辑。在这个例子中，当Q1两端的电压达到安全电压值，电流从2A变为4A（可注意到CH上的电压升高）。最后，当CH完全充电后，Q1完全导通，并允许稳定的8A工作电流。

此时，监测通过Q1的电流，并对短路（采取快速关断）或对过流采取类似断路器的行动。在这两种情况下，其他的电源管理电路由电源/平台管理器控制，如定序和复位产生，并且也将发出信号或者安全关闭电路板的运行，以防止数据损坏或者更严重损坏的情况发生。由于热插拔功能与其他电源管理功能在同一器件上的紧密集成，所以很可能发生这种损坏电路板的现象。



图3——用MOSFET的迟滞电流控制

可编程功能
该电路提供许多可编程特性使其适用于各种应用。
•比较器阈值可以改为适合不同的背板电压，如5V或3.3V。
•接触去抖周期可在50ms到2s之间变化。
•过流和短路电流可以分别设置。
•设计可被用于实现双电源背板的双热插拔控制器。
•释抑时间从2至100ms可编程（在电源故障状态下，MOSFET应仍然打开）。过了这段时间，关断MOSFET。

可用的Power Manager II或Platform Manager器件

这个例子使用莱迪思的ispPAC-POWR1014A电源管理器件来实现迟滞控制热插拔功能。然而，迟滞控制也可以使用LPTM-1247/12107、ispPAC-POWR1220AT8、ispPAC-POWR1014和ispPAC-POWR607器件实现。