空间受限型应用中的PMBus热插拔电路介绍

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摘要
本文详细介绍了热插拔电路基础,以及要求使用系统保护与管理 (SPM) 和印刷电路板 (PCB) 基板面极其珍贵的情况下系统设计人员所面临的诸多挑战。以模块化实现利用集成数字热插拔控制器时,我们为您介绍了一种框架,用于检查设计的各项重要参数和热插拔系统保护电路的 PCB 布局。另外,文章还列出了相关实验结果报告。
 
高密度系统的热插拔电路保护
许多分布式电源系统(如 1 所示)都集成了总线转换器、负载点 (POL) 与线性稳压器,专用于高性能刀片式服务器、ATCA 解决方案和通信基础设施系统[1]。这些系统越来越多地应用于一些日益小型化的实现中,旨在降低成本。为了保证这些系统拥有最大的可靠性和最长的持续运行时间,热插拔控制器[2]是首选方法,因为它可以提供最理想的系统保护和电管理,特别是能够达到服务器市场的严格要求。系统保护与管理 (SPM) 功能专用卡边缘的可用 PCB 基板面已变得相当狭小,这并不让人感到意外。这种情况带来的结果是,设计工作主要集中在了高功率密度、低成本热插拔电路实现上面。
 
 图1电信系统分布式电源架构例子
 
在这类应用中,热插拔控制器的特点是通常包括带电电路板插入(浪涌电流控制)和拔取安全控制、故障监控诊断与保护以及高精确度电气(电压、电流、功率)和环境(温度)参数测量,目的是提供实时的系统模拟或数字域遥测。特别是,如果服务器机架一个线卡出现故障,该故障应隔离在该特定线卡,不会影响系统底板或者其他通过带电底板供电的线卡。热插拔控制器正常情况下会通过接口连接至某个通过 MOSFET,其同电源通路串联,从而实现“开/关”功能和电流检测低电阻分流器。
 
2 显示了典型服务器系统中为供电量身定做的线卡接口和热插拔电路原理图,并为后续讨论的模板。讨论过程中,我们将不厌其烦地详细描述热插拔电路底板连接器边缘插件板和下游组件。
 
 图 2 典型的热插拔电路布局
 
一般而言,在一些 +12V 和 +48V 系统中,热插拔通过器件(图 2 MOSFET Q1)与高端连接配置,并且其栅极连接至接地基准控制器。在 –48V 底板系统中,该控制器参考至 48V 电压轨,并且根据要求上下浮动。在所有情况下,当检测到故障 Q1 被热插拔控制器迅速关闭时,必要时接地连接可不中断。
 
热插拔模块提供一种方便的标准化方法,实现一站式热插拔解决方案。这种模块是一种单独、独立的子配件,它们是一些结构相同、超紧凑、独立自主、经过完全验证和测试的组件,完全适合于高容量 SMT 制造。同样,它可在多个系统和应用之间灵活地部署使用,从而极大地减轻了系统工程师的设计工作负担。热插拔模块通常以一种中间夹层的方式平行堆叠在系统主板上,利用镀过孔 (PTH) 或者表面贴装 (SMT) 接头与电源和信号连接形成母子配置结构。另外,需要注意的是,主板通过模块的终端连接提供导电散热。然而,使用双面模块板布局时,主要功耗组件通过 MOSFET 和分流电阻器,放置于模块的顶部,以有目的地利用应用环境中的自然或者强制对流。
 
电路规范
1 列出了热插拔电路模块的相关规范。
 
规范
符号
输入电压范围
VIN
10.8V–13.2V
输出电流范围
VBR
0A–10A
电流限制
ICL
12.5A±8%
断路器电平
ICB
22.5A
故障超时
TFAULT
1 ms
最大环境温度
TA(MAX)
55°C
气流速度
Q
100 LFM (0.5 ms-1)
可用PCB面积(不包括PMBus连接器)
APCB
15 mm x 18 mm
数字遥测PMBus地址
Addr
0x16
 1 热插拔电路设计规范
 
在这种高功率密度热插拔电路设计中,下列局限性尤为明显:
  • 成本:电气(MOSFET、控制器、分流电阻器)和机械(连接器、PCB)组件
  • PCB 面积:严重受限
  • 组件规范:体积受限(尺寸和外形)
  • 热规范和散热属性:基本散热
电路原理图和组件选择
图 2 描述了建议热插拔电路的原理图。可以方便地将任何负载相关大容量存储电容器,靠近负载放置于主板上,无需放置在热插拔模块上。
 
 图 3 数字热插拔电路原理图
 
2 详细列出了最基本的电路组件的封装尺寸和厂商建议焊垫几何尺寸。
 
电路组件
厂商部件编号
体积尺寸(mm)
建议焊垫几何尺寸(mm)
通过MOSFET
TI CSD17309Q3
3.3 x 3.3 x 1.0
3.5 x 2.45
分流器
Vishay WSL12062L000FEA18
3.2 x 1.6 x 0.64
3.5 x 2.45
热插拔控制器
TI LM25066A
4.0 x 5.0 x 1.0
4.2 x 5.4
TVS
Vishay SMPC15A
6.5 x 4.6 x 1.1
6.8 x 4.8
 2 热插拔电路组件封装尺寸和建议焊垫几何尺寸
 
MOSFET, Q1
在我们的例子中,我们使用了 TI NexFET CSD17309Q3 [3],它是一种 25°C 下 4.9 mW 开态电阻的 30V 60A SON 器件。如果图 4a 的开态电阻温度系数约为 0.3%/°C,则 55°C 工作结温下满负载传导损耗为 0.6W。栅极到源极齐纳二极管将MOSFET VGS维持在额定电平(正负极)。2°C/W 的稳态结壳热阻抗 RthJ-C表明,壳结温升约为 1.2°C。最大额定 MOSFET 结温为 150°C。故障状态期间 1 ms 一次性脉冲时长条件下,图 4b 4c 的曲线图分别表示 50A、12V 时的安全工作区 (SOA) 大小,以及 0.001 的标准化结到环境瞬态热阻抗 ZthJ-A
 
图 4 CSD17309Q3[3] MOSFET: a) Rdson 随温度变化情况;b) SOA; c)瞬态热阻抗
 
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