热插拨和数字电源监控常见问答

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什么是热插拔？

　　热插拨就是允许模块在系统上电的情况下在电源总线上进行插入或拔出，同时不影响总体系统运作。这个概念可能源自于电话线卡，其板边插接器设计有不同长度的引线。当线卡插入到背板上时，总是先接地，再接电源总线和I/O引脚。对于公共交换电话网上简单而稳健的电子设备而言，这已足够。但现在的路由器、服务器和嵌入式系统往往需要一个热插拨控制器、一个检测电阻和一个FET旁路电阻来提供更稳健更智能的解决方案。

什么样的模块需要热插拨控制器？

　　如果模块的输入电源线上有数量庞大的旁路电容，或者具有可能造成主要电源总线崩溃的故障模式，则需要热插拨控制器。将初始充电电流分流到旁路电容上的闭环限流能力可以在增加新负载时，防止主电源总线的电压下降(图1)。它还能避免连接器的电源触点因突然的过量电流而引起过载。

　　一旦输入电容充上电，电流控制环路就可用作一种保护机制，来对以后任何超出模块设计规格的大电流进行限制，由此根据推测来判断是出现短路还是其它故障。这样，就很容易在控制器感测到过量电流时关断模块，或者永久性关断，直到再进行手动复位，或者进入自动重启模式。

电源监控的用途

　　知道了系统各点上的电压和电流数据后，设计人员就可以据此计算出每个电源轨的功耗。通过感应电阻、电流检测放大器以及模数转换器(ADC)等关键元件可获得电源电流数据并对其进行数字化。然后，再在软件领域执行数字电源监控算法。在可热插拨系统中，这种功能尤其有助于监控每一个可插式子系统的性能。

图1：将初始充电电流分流到旁路电容上的闭环限流能力可以在增加新负载时，防止主电源总线的电压下降

系统如何利用系统各点上的电压和电流信息？

　　这一数据可用于决定如何立即提高系统的效率和性能。以一个包含了10块板子的服务器机柜为例，每块板子的功耗限制为100W。这种每个刀片插槽100W的限制是强制的，而机柜的电源单元最高功率为1000W。在一个标准系统，所有刀片都只能工作在100W以下。

　　如果引入电源监控，就可以在系统运行时动态进行更加智能的功率调节。如果从完全插满了的机柜板上拔下一个板卡，就会多出100W“额外的”未使用功率。这种情况下，系统中其余的每一块板子都将获得额外的10W功率。

　　必须对插件板的功耗进行监控以确保总体功率不超出预算。这种电源管理方案使系统能够最大限度地利于可用的功率预算，而监控子系统级的功耗是实现这一目标不可或缺的一部分。

图2：将热插拨控制器和电流检测电路集成在一起意味着这两个功能可以共用一个感应电阻，从而减少了元件数目，同时将功率损耗降至最低

为什么要将基本热插拨电流控制与监控整合在一个器件中？

　　将热插拨控制器和电流检测电路集成在一起意味着这两个功能可以共用一个感应电阻，从而减少了元件数目，同时将功率损耗降至最低(图2)。而且，分别使用单个感应电阻来单独实现这两种功能可能很困难。要让两个单独的电路在各自给定的感应电阻下正常工作，可能需要做大量的校准工作。也许每一个功能的性能都不得不作出一些折衷牺牲。此外，由于控制器削减了芯片的占位面积和元件数目，因此在这块芯片上集成感测放大器和ADC还可以节省功率，并消除噪声问题。

作者：Don Tuite，模拟/电源编辑，《Electronic Design》