简洁紧凑型服务器热插拔解决方案
翻译：Toffee Jia
Technical Editor, MPS
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2019年9月5日 — 对于数据中心服务器、电信系统和网络设备应用，不仅希望电源工程师们能设计出对系统至关重要的保护和控制电路，同时还希望他们能最大限度地减少占板空间，缩短产品上市时间。
为了实现越来越小的占板面积需求，采用的元器件也变得越来越少。面对更短的产品上市时间，工程师不得不想方设法简化设计。MPS 最新推出的一款集成PMBus 接口的热插拔解决方案 MP5023，为工程师提供了一种创新的解决方案，助力其应对上述设计挑战。
热插拔过程
与许多通信基础架构一样，高可用性和高可靠性是数据中心系统设计的关键要素。可插拔模块和PCB（例如服务器和存储设备）在电源接口需要采用保护和控制电路。可插拔模块和PCB（例如服务器和存储设备）在电源接口需要采用保护和控制电路。通常将此电路称之为热插拔控制电路。想要了解热插拔控制电路对系统的作用，首先需了解热插拔动作前后系统状态的变化。图 1 显示的主机系统背板起初为完全通电状态。在带电系统中，所有的大容量电容和旁路电容都已充满电。将未充电的板卡插入带电系统，会快速为板卡充电并对带电系统进行放电。若对板卡的充电不进行控制, 会需要非常大的浪涌电流; 而对系统放电电流不控制, 会大大降低背板电压。
图 1：电信系统中分布式电源架构示例
热插拔解决方案可以很好地控制板卡的上电时序和管理系统的响应。当板卡插入连接器后，板卡与系统正确配对需要几毫秒的时间。当板卡插入后，卡上电容开始充电, 从带电系统中吸收电流。一旦电容开始充电，板卡类似对地短路并出现非常大浪涌电流。这种浪涌电流对系统的要求很高，可能会导致系统电容放电以及系统电压下降。热插拔解决方案在不关闭系统电源的情况下，可以将卡/板插入或拔出, 而不影系统的正常工作。
设计挑战
在服务器和存储等应用中，热插拔解决方案的特点通常包括：在插入和拔出过程中，对带电电路板浪涌电流的安全控制；故障监控诊断和保护以及高精度的电气（电压，电流，功率）和环境（温度）参数，以便在模拟或数字域中提供实时系统遥测。尤其在服务器机架中的一个线卡/板发生故障时，故障应与特定线卡/板隔离，并且不得影响系统背板或由该带电背板供电的其他线卡/板。
防止系统停机的最好方法是检测、响应并尽快纠正潜在损坏故障。
传统的热插换保护控制电路设计方法是使用分立元件。通常分立式热插拔解决方案会包括一个控制IC、功率器件（如 MOSFET）、以及采样电阻，用来管理背板和主板之间的功率流动，防止发生故障并扰乱其他系统。此种方法可以实现基本的保护要求。但分立式解决方案的短板也是众所周知的，比如：
- 元件使用量多，占版面积大。元件越多，系统的稳健性和可靠性就越受影响。
- 分立式方案的MOSFET没有热保护功能。在极端条件下，其热设计通常会超出设备保护的安全工作区（SOA）限制。
- 故在PCB布局时需格外小心。工程师必须了解Kelvin电流采样技术，才能正确精准地进行电流监控和限流操作。
由于增加了系统的复杂性并且缩短了设计周期，设计资源变得更加紧缺，资源分配主要取决于开发系统的关键知识产权。这通常意味着只能在开发后期才能关注电源。
因为很难通过有限的电源设计专业知识来快速解决上述缺点，因此，越来越需要开发出可靠的热插拔解决方案。理想的热插拔解决方案应该具备小封装、高性价比、高可靠性以及采用最简单的设计等特质。
创新型解决方案
与传统的分立式解决方案不同，MPS研发的单片解决方案—MP5023 是一款16V热插拔解决方案，它集成了MOSFET和采样电阻以及一个可以处理50A电流的PMBus接口，并且所有元器件均集成在一个单独的硅片中 （见图2）。MP5023 采用小型 QFN(4mmx5mm) 封装。
图 2：MP5023 对比分立式热插拔解决方案
MP5023 可以最大限度地减少外部元器件的使用数量，简化系统设计（见图 3）。工程师仅需选择正确的阻值来设置电流监控、限流功能和PMBus地址、以及用于软启动和其他定时功能的正确电容数值即可。MP5023 还简化了PCB的布局问题，优化了IC封装里的MOSFET和采样电阻连接。它可以内部补偿Kelvin采样过程中的不完整性和误差，大大节省了工程师的工作时间和精力。
图 3：MP5023典型应用电路
与分立式解决方案相比，MP5023 的优势在于其采用了先进的单片制程，因此电流监控和限流精度得到了很好的控制。在各种温度范围内，它都能在10A至50A之间实现±1.5％的电流监控精度（见图4）。
集成的MOSFET能够监控管芯上的温度以便及时关闭MP5023。一旦芯片进入过温关断保护，芯片会保持关闭状态（锁定保护）或在结温降至过温保护阈值以下后尝试重新启动（自动重启）。PMBus会监控并读取芯片温度。因此，工程师无需过多地设计MOSFET和热保护，即可在极端故障条件下将器件保持在SOA限制内。
图 4：IMON 增益精度对比输出电流和温度
MP5023 含有一个PMBus接口且能兼容PMBus 1.3标准，可以提供简单而灵活的配置方式、电路板和准确的系统控制，以及具体而精确的监控和遥测技术。PMBus接口还可以对一些参数进行编程，如电压、电流、温度和故障参数，并能读取和报告实时信息。而且还可以动态调节这些参数。实时监控能够全面了解方案的性能，让工程师可以通过预测性分析来优化系统的运行时间，并在需要修复时使用更多数据分析, 来最小化停机时间。
结论
将上述因素结合到诸如 MP5023之类的热插拔解决方案中，可以使系统运行适应当前的需求，既消除了重复的劳动密集型活动，又可以帮助工程师减少占板面积，加速产品上市。
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