熱插拔控制器在直流升壓電路中的設計應用

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。

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.

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。

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)。

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

(4)選擇CT

選擇合適的電容，保證輸出啟動時能