高电流输入电路保护：混合热插拔解决方案

随着云计算、物联网（IoT）、人工智能（AI）和边缘计算等技术的快速发展，数据中心对高数据吞吐量的需求日益增加。这推动了服务器系统中高速处理器的应用，而这些处理器需要更高的电流电平（超过250A）和更大的负载电容（20至30mF），以满足瞬态负载分布的要求。

传统热插拔电路的挑战

传统的热插拔电路通常由热插拔控制器、外部电流检测电阻器和功率MOSFET组成。在系统故障期间，热插拔控制器会将MOSFET保持在饱和区，以限制故障电流。然而，随着系统电流的增加和输出电容的增大，这种设计面临着巨大的挑战，因为MOSFET处理功率应力的能力有限。

热插拔控制器通过功率限制方案（PLIM）实现过载保护，利用可编程故障计时器（TTIMER）确保MOSFET在其安全工作区域（SOA）内运行。选择合适的PLIM和TTIMER值至关重要，以确保所选MOSFET在其最大工作温度下的SOA限制内工作。如果无法找到合适的MOSFET，则必须选择具有更高SOA的产品，这使得设计过程变得复杂且迭代。

混合热插拔解决方案的优势

为了解决这些问题，一种新的混合热插拔解决方案被提出，它结合了常规热插拔控制器和电子保险丝。该方案不仅提供了强大的过流保护，还在任何故障情况下保护了MOSFET。

图1展示了热插拔控制器中的功率限制环路，包括电流检测放大器和电压检测电路，用于监测FET的功率损耗，并调节栅极电压以确保功率损耗始终低于PLIM。

图1

然而，较高的功率限制设置虽然降低了FET上的应力，但也减少了热插拔控制器能够限制的电流量，导致电流检测放大器的误差增大。方程1给出了大多数热插拔控制器所需的最低检测电压（VSNS-MIN）：

其中，VSNS_CL是电流限制检测电压，VIN_MAX是最高的输入电压，ILIM_CL是电流限制设置阈值。

对于高电流应用，需要设置更高的PLIM，这意味着需要更高SOA的MOSFET，增加了设计难度。例如，在12V、250A的设计中，要求FET能在100°C下处理560W的功率应力持续1ms，现有的商用FET难以达到这一要求。

大容性负载的驱动挑战

对于大容性负载的设计，输出(dv/dt)控制电路在启动期间处理FET功率应力至关重要。通过调整Cdv/dt的值，可以限制栅极和输出电压的压摆率，从而减少浪涌电流。然而，较大的Cdv/dt会延迟故障检测时间，增加FET承受的SOA应力，尤其是在短路阻抗较高时。

图2展示了带有输出dv/dt控制的典型启动波形。为了确保FET保持在其SOA范围内，必须设置适当的压摆率和Cdv/dt值。

图2

混合热插拔解决方案的工作原理

图3展示了混合热插拔配置，其中电子保险丝与传统热插拔电路并联。电子保险丝利用其集成的过热保护功能应对高应力事件，同时确保下游负载仅在热插拔FET完全增强后启用。

图3

启动阶段：电子保险丝首先充电输出电容，然后热插拔FET导通，提供低阻抗路径。

故障情况：电子保险丝在所有故障情况下承受功率应力，而热插拔FET不受影响。

图4说明了启动期间及不同故障情况下的电路功能，详细描述了各个状态的转换过程。

实际应用案例

一个使用LM25066 热插拔控制器和TPS1663电子保险丝的示例混合热插拔电路（如图5所示）已被验证，适用于12V输入、250A负载电流和30mF输出电容的应用场景。

图5

结论

随着服务器系统的功率水平不断增长，传统的热插拔设计面临越来越多的挑战。混合热插拔解决方案通过引入电子保险丝，不仅解决了传统保护电路在高功率级别下的难题，还简化了设计流程，显著降低了成本。该方案在各种故障情况下均能有效保护热插拔FET，确保系统可靠性和安全性。因此，采用混合热插拔方案是应对现代数据中心高电流需求的有效途径。

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