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

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、外部電流檢測電阻器和功率MOSFET組成。在系統(tǒng)故障期間，熱插拔控制器會將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，這種設計面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因為MOSFET處理功率應力的能力有限。

熱插拔控制器通過功率限制方案（PLIM）實現(xiàn)過載保護，利用可編程故障計時器（TTIMER）確保MOSFET在其安全工作區(qū)域（SOA）內運行。選擇合適的PLIM和TTIMER值至關重要，以確保所選MOSFET在其最大工作溫度下的SOA限制內工作。如果無法找到合適的MOSFET，則必須選擇具有更高SOA的產(chǎn)品，這使得設計過程變得復雜且迭代。

混合熱插拔解決方案的優(yōu)勢

為了解決這些問題，一種新的混合熱插拔解決方案被提出，它結合了常規(guī)熱插拔控制器和電子保險絲。該方案不僅提供了強大的過流保護，還在任何故障情況下保護了MOSFET。

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

圖1

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

其中，VSNS_CL是電流限制檢測電壓，VIN_MAX是最高的輸入電壓，ILIM_CL是電流限制設置閾值。

對于高電流應用，需要設置更高的PLIM，這意味著需要更高SOA的MOSFET，增加了設計難度。例如，在12V、250A的設計中，要求FET能在100°C下處理560W的功率應力持續(xù)1ms，現(xiàn)有的商用FET難以達到這一要求。

大容性負載的驅動挑戰(zhàn)

對于大容性負載的設計，輸出(dv/dt)控制電路在啟動期間處理FET功率應力至關重要。通過調整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會延遲故障檢測時間，增加FET承受的SOA應力，尤其是在短路阻抗較高時。

圖2展示了帶有輸出dv/dt控制的典型啟動波形。為了確保FET保持在其SOA范圍內，必須設置適當?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，其中電子保險絲與傳統(tǒng)熱插拔電路并聯(lián)。電子保險絲利用其集成的過熱保護功能應對高應力事件，同時確保下游負載僅在熱插拔FET完全增強后啟用。

圖3

啟動階段：電子保險絲首先充電輸出電容，然后熱插拔FET導通，提供低阻抗路徑。

故障情況：電子保險絲在所有故障情況下承受功率應力，而熱插拔FET不受影響。

圖4說明了啟動期間及不同故障情況下的電路功能，詳細描述了各個狀態(tài)的轉換過程。

實際應用案例

一個使用LM25066 熱插拔控制器和TPS1663電子保險絲的示例混合熱插拔電路（如圖5所示）已被驗證，適用于12V輸入、250A負載電流和30mF輸出電容的應用場景。

圖5

結論

隨著服務器系統(tǒng)的功率水平不斷增長，傳統(tǒng)的熱插拔設計面臨越來越多的挑戰(zhàn)。混合熱插拔解決方案通過引入電子保險絲，不僅解決了傳統(tǒng)保護電路在高功率級別下的難題，還簡化了設計流程，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對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心高電流需求的有效途徑。

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