利用热插拔和“或”逻辑控制器构建高可靠性的通信设备系统 通信设备, 控制器, 可靠性, 热插拔

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[导读] 通信设备通常采用多线卡﹑背板架构。在背板上有多个卡槽，线卡插接在这些卡槽里。线卡承载业务，背板提供系统数据总线和电源总线。线卡通过背板上的总线实现互联以及与主控板的通讯。
关键词：MAX5944逻辑控制器热插拔

　　通信设备通常采用多线卡﹑背板架构。在背板上有多个卡槽，线卡插接在这些卡槽里。线卡承载业务，背板提供系统数据总线和电源总线。线卡通过背板上的总线实现互联以及与主控板的通讯。整个设备一旦上电，就必须持续工作，不能下电。在整个设备运行的过程中，线卡可能需要维修﹑升级﹑配置或者是扩容。这就需要在背板带电的情况下将线卡拔出/插入，整个过程中系统不能下电。为了可靠的实现这一带电插拔过程，控制对背板电源总线的冲击，通常使用热插拔电路。为了进一步提高系统的可靠性，通信设备还会采用电源备份架构。当主电源损坏后，备份电源会及时切入，以确保设备的正常运转。
　　“或”逻辑控制电路就是用来实现这一电源切换的功能。热插拔电路和“或”逻辑控制电路为通信设备这类的多线卡﹑背板设备，提供了高可靠性的解决方案。
　　热插拔的基本原理
　　线卡的电源入口侧通常都有几百微法拉~几千微法拉的电容，用于电源滤波和储能。当整个系统工作时，插在背板上的线卡，其入口侧电容都是充满的。当将另外一块线卡插入正在运行中的背板上时，这些无电荷的电容会被充电。因为线卡和背板金属件的接触在极短的时间内发生，线卡的入口电容容值又较高，充电电流可以很大，如图1所示。

　　

　　图1. 插入线卡时的电流流向

　　图1中，当3号线卡插入时，C4被快速充电，一部分充电电流来自C1﹑C2，还有一些充电电流来由电源模块。基于系统设计的不同，充电电流可以在很短的时间内，达到几百安培的水平。
　　这一电流冲击可能造成背板总线电压的跌落，进而导致系统复位。这一不受控的电流冲击过程还可能造成系统的损坏，例如：损坏滤波电容，PCB走线，背板连接器。
　　应对这一现象的最好方法就是使用热插拔控制器，来控制插拔过程中冲击电流的峰值。
　　备份电源
　　高可靠性的通讯系统，常常应用备份电源架构来提高系统的可靠性。当主电源工作异常或失效时，备份电源会及时切入，维持系统运转。在该架构中，常用的方法是使用一对二极管来构建电源的“或”逻辑，连接在主/备电源和负载之间。该电路的缺点是二极管的正向导通电压较高，二极管上有较高的损耗。“或”逻辑控制器就是用来模仿二极管的电特性，同时降低整个系统的损耗。
　　使用双通道热插拔、“或”逻辑控制器
　　低压差“或”逻辑开关控制器独立地控制每个通道的背靠背nMOSFET，实现热插拔和“或”逻辑控制。控制器内置四个MOSFET 驱动器（GATE1_和GATE2_），GATE1_ 控制外部n沟道功率MOSFET实现“或”逻辑，防止主/备电源间的电流流动或OUT到IN间的电流倒灌；GATE2_控制外部n沟道功率MOSFET实现热插拔功能。通路上的精密电阻，用于电流采样。

　　热插拔功能
　　开关控制器（这里的MAX5944）实时监控采样电阻RSENSE两端的电压，调整冲击电流的大小来保证VIS在限流门限电压VTH以下，见图2。

　　

　　图2. MAX5944“或”逻辑开关控制器通过实时监测RSENSE两端电压限制冲击电流

　　限流门限电压VTH为固定值，通过改变采样电阻的值来设定每个通道的限流值，ILIMIT_ = VTH /RSENSE_. 当负载电流小于限定值（ILIMIT）时， GATE2_ 上升到VGS=5.5V将Q2_完全导通。当负载电流超过限定值（ILIMIT）时，MAX5944会将GATE2_ 拉低，降低流过Q2_的电流，将其限定在限流值ILIMIT。这时输出OUT_的表现类似于恒流源。
　　图3所示，通道1 （ch1）为负载电压，通道3 （ch3）为GATE2_的栅压，通道4 （ch4）为插拔过程中的冲击电流。负载电流2A，负载电容220uF。如图所示，在线卡插入后，冲击电流快速上升，最终被限定在限流值。

　　

　　图3. 插入未充电背板

　　“或”逻辑控制器
　　INA 和INB分别连接至主﹑备电源。当一个电源发生故障时，MAX5944 会自动﹑平顺的将备用电源接入。GATE1_ 控制MAX5944 “或”逻辑功能。最初， GATE1_关闭，负载电流流过Q1_的寄生二极管， 见图2。当VIS电压超过5mV（“或”逻辑开启的门限电压），GATE1_ 电压上升，并超过SENSE_ 电压5.5V，开启Q1_。
　　图4是备份电源切入的一个示例。Ch1为负载电压，Ch2为 GATE1_A 的电压波形。电源A连接在INA，电源B连接在INB。电源A的正常工作电压高于电源B的正常工作电压。即INA管脚的电压VINA高于INB 管脚的电压VINB。显然，在本例中电源A为主电源，电源B为备份电源。当电源A故障时，INA管脚的电压VINA跌落。VIS 电压跌落至“或”逻辑开启的门限电压以下。MAX5944立刻关断Q1A，阻断来自负载的倒灌电流。由于Q1A关断，负载电容上的电压OUTA/B，在负载电流的作用下跌落。当负载电压OUTA/B低于INB 管脚的电压VINB时，电源B开始为负载供电。整个过程中，MAX5944自动侦测主电源的电压跌落，平顺的切换至备用电源。

　　

　　图4. VINA 跌落， MAX5944 自动切入备份电源

　　结论
　　对于采用多线卡﹑背板架构的通信设备，热插拔是保证系统可靠运行的必要功能。结合“或”逻辑控制的主﹑备电源架构，则进一步的提升了系统可靠性。MAX5944集成了双通道的热插拔控制电路，和“或”逻辑控制电路。