Giới thiệu

Các hệ thống có tính khả dụng cao , chẳng hạn như máy chủ, bộ chuyển mạch mạng, bộ lưu trữ mảng đĩa độc lập dự phòng (RAID) và các hình thức cơ sở hạ tầng truyền thông khác, cần được thiết kế để có thời gian ngừng hoạt động gần như bằng không trong suốt vòng đời sử dụng. Nếu một thành phần của hệ thống như vậy bị lỗi hoặc cần cập nhật, nó phải được thay thế mà không làm gián đoạn phần còn lại của hệ thống. Bo mạch hoặc mô-đun sẽ phải được tháo ra—và mô-đun thay thế được cắm vào—trong khi hệ thống vẫn đang hoạt động. Quá trình này được gọi là thay thế nóng (hot swapping ), hoặc trong một số trường hợp là cắm nóng (hot plugging ) (trong đó mô-đun tương tác với phần mềm hệ thống). Để thay thế nóng an toàn, các đầu nối có chân cắm so le thường được sử dụng để đảm bảo rằng các điểm nối đất và nguồn điện cục bộ được thiết lập trước khi các kết nối khác được thực hiện. Ngoài ra, mỗi bo mạch in (PCB) hoặc mô-đun cắm vào đều có bộ điều khiển thay thế nóng tích hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tháo và lắp mô-đun một cách an toàn khỏi bo mạch chủ đang hoạt động. Trong khi hoạt động, bộ điều khiển cũng cung cấp khả năng bảo vệ liên tục khỏi các sự cố ngắn mạch và quá dòng.

Mặc dù dòng điện cần phải ngắt và khởi động lại có thể rất lớn, nhưng một số chi tiết tinh tế trong thiết kế dòng điện cao thường ít được chú trọng. Vì “chi tiết nhỏ mới là điều quan trọng”, bài viết này sẽ tập trung vào chức năng và tầm quan trọng của các thành phần trong mạch điều khiển thay thế nóng – và cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố cần xem xét trong thiết kế và tiêu chí lựa chọn linh kiện tối ưu trong quá trình thiết kế sử dụng bộ điều khiển thay thế nóng Analog Devices ADM1177 .

Cấu trúc liên kết trao đổi nóng

Hai mức công suất hệ thống thường thấy trong các hệ thống có độ tin cậy cao, -48 V và +12 V, sử dụng các cấu hình khác nhau để bảo vệ chống tháo lắp nóng. Hệ thống -48 V tích hợp điều khiển tháo lắp nóng phía thấp và MOSFET truyền dẫn; hệ thống +12 V sử dụng bộ điều khiển phía cao và MOSFET truyền dẫn.

Phương pháp điện áp -48V bắt nguồn từ công nghệ hệ thống tổng đài viễn thông truyền thống. Ví dụ có thể thấy trong các hệ thống Kiến trúc Điện toán Viễn thông Tiên tiến (ATCA), mạng quang, trạm gốc và máy chủ dạng phiến. Là điện áp thường thu được từ các khối pin, 48V được chọn vì công suất và tín hiệu có thể được truyền đi xa mà không bị tổn thất đáng kể, nhưng mức điện áp này không đủ cao để gây nguy cơ điện giật nghiêm trọng trong điều kiện bình thường. Cực âm được chọn vì, trong điều kiện có hơi ẩm khi tiếp xúc với môi trường, sự di chuyển của các ion kim loại từ cực dương sang cực âm sẽ ít gây ăn mòn hơn khi cực dương được nối đất.

Tuy nhiên, trong các hệ thống truyền thông dữ liệu, nơi khoảng cách không phải là yếu tố quan trọng, nguồn điện +12V hợp lý hơn, do đó phổ biến trong thiết kế máy chủ phiến và hệ thống mạng. Bài viết này sẽ tập trung vào các hệ thống sử dụng nguồn +12V.

Sự kiện trao đổi nóng

Hãy xem xét một hệ thống với bo mạch chủ 12V và một giá đỡ các mô-đun có thể tháo rời. Mỗi mô-đun phải có khả năng được tháo ra và thay thế mà không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của bất kỳ mô-đun nào liền kề trong giá đỡ. Trong trường hợp không có bộ điều khiển, mỗi mô-đun có thể tạo ra một lượng điện dung tải đáng kể cho đường dây cấp nguồn, thường vào khoảng milifarad. Khi một mô-đun được lắp đặt lần đầu, các tụ điện chưa được nạp của nó sẽ yêu cầu dòng điện tối đa có sẵn để nạp tải. Nếu dòng điện khởi động này không được giới hạn, nó có thể làm giảm điện áp đầu cuối, gây ra hiện tượng sụt áp đáng kể trên bo mạch chủ, khởi động lại nhiều mô-đun liền kề trong hệ thống và làm hỏng các đầu nối của mô-đun do dòng điện ban đầu cao.

Vấn đề này có thể được giải quyết bằng bộ điều khiển thay thế nóng (Hình 1), bộ điều khiển này kiểm soát cẩn thận dòng điện khởi động để đảm bảo khoảng thời gian khởi động an toàn. Bộ điều khiển thay thế nóng cũng sẽ liên tục giám sát dòng điện cung cấp sau khi khởi động để bảo vệ chống lại hiện tượng ngắn mạch và quá dòng trong quá trình hoạt động bình thường.

‍

Bộ điều khiển thay thế nóng

Bộ điều khiển thay nóng ADM1177 bao gồm ba thành phần chính (Hình 2): một MOSFET kênh N đóng vai trò là công tắc điều khiển nguồn chính, một điện trở cảm biến đo dòng điện và bộ điều khiển thay nóng—bao gồm một bộ khuếch đại cảm biến dòng điện—hoàn thiện vòng điều khiển dòng điện đi qua của MOSFET.

Bên trong bộ điều khiển cắm nóng, một bộ khuếch đại cảm biến dòng điện giám sát sự sụt giảm điện áp trên điện trở cảm biến bên ngoài. Điện áp nhỏ này (thường nằm trong khoảng từ 0 mV đến 100 mV) phải được khuếch đại đến mức hữu ích. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trong ADM1177 là 10, vì vậy, ví dụ, sự sụt giảm 100 mV do một lượng dòng điện nhất định tạo ra sẽ được khuếch đại lên 1 V. Điện áp này được so sánh với một điện áp tham chiếu cố định hoặc thay đổi. Với điện áp tham chiếu 1 V, dòng điện tạo ra điện áp lớn hơn 100 mV (±3%) trên điện trở shunt sẽ khiến bộ so sánh báo hiệu quá dòng. Do đó, điểm kích hoạt dòng điện tối đa chủ yếu được xác định bởi điện trở shunt, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại và điện áp tham chiếu; giá trị điện trở shunt xác định dòng điện tối đa. Một mạch TIMER đặt giới hạn cho khoảng thời gian mà tình trạng quá dòng nhất định có thể tồn tại.

IC ADM1177 có chức năng khởi động mềm , trong đó điện áp tham chiếu quá dòng được tăng dần một cách tuyến tính thay vì bật đột ngột, buộc dòng điện tải phải tăng theo cùng một cách. Điều này đạt được bằng cách bơm dòng điện từ nguồn dòng bên trong vào tụ điện bên ngoài (chân SS) để tăng dần điện áp tham chiếu đầu vào của bộ so sánh từ 0 V đến 1 V một cách tuyến tính. Tụ điện SS bên ngoài sẽ thiết lập tốc độ tăng điện áp này. Nếu cần, chân SS cũng có thể được điều khiển trực tiếp bằng điện áp để thiết lập giới hạn dòng điện tối đa.

Mạch BẬT, bao gồm mạch so sánh và mạch tham chiếu, cho phép thiết bị hoạt động. Nó lập trình chính xác điện áp mà nguồn cung cấp phải đạt được để kích hoạt bộ điều khiển. Sau khi thiết bị được kích hoạt, cực cổng bắt đầu tích điện. Cực cổng của MOSFET kênh N được sử dụng trong loại mạch này phải có điện áp cao hơn cực nguồn. Để đạt được điều này trong phạm vi điện áp nguồn (VCC), bộ điều khiển thay thế nóng có tích hợp mạch bơm điện có khả năng duy trì điện áp chân CỔNG cao hơn VCC tới 10 V. Chân CỔNG yêu cầu dòng điện kéo lên được bơm điện để kích hoạt MOSFET và dòng điện kéo xuống để vô hiệu hóa MOSFET khi cần thiết. Dòng điện kéo xuống yếu được sử dụng để điều chỉnh, và dòng điện kéo xuống mạnh hơn được sử dụng để nhanh chóng vô hiệu hóa MOSFET trong trường hợp ngắn mạch.

Khối thiết yếu cuối cùng của bộ điều khiển thay thế nóng là BỘ HẸN GIỜ , có chức năng giới hạn thời gian dòng điện được điều chỉnh trong trường hợp quá dòng. MOSFET được thiết kế để chịu được một lượng công suất nhất định trong một khoảng thời gian tối đa được quy định. Các nhà sản xuất MOSFET vạch ra phạm vi này, hay vùng hoạt động an toàn (SOA), bằng cách sử dụng biểu đồ như trong Hình 3.

Đồ thị SOA thể hiện mối quan hệ giữa điện áp nguồn-cống kết hợp, dòng điện cống và khoảng thời gian mà MOSFET có thể chịu được sự tiêu tán này. Ví dụ, MOSFET trong Hình 3 có thể chịu được 10 V và 85 A (850 W) trong 1 ms. Nếu điều kiện này kéo dài hơn, MOSFET sẽ bị hỏng. Mạch TIMER có thể đảm bảo rằng thời gian MOSFET chịu các điều kiện xấu nhất này được giới hạn bởi tụ điện TIMER bên ngoài. Ví dụ, nếu TIMER được đặt là 1 ms và dòng điện vượt quá giới hạn trong hơn 1 ms, mạch sẽ tự ngắt và tắt MOSFET.

Trong ADM1177, để đảm bảo an toàn, ngưỡng kích hoạt điện áp cảm biến dòng điện của TIMER được đặt ở mức 92 mV. Bộ điều khiển cắm nóng do đó sẽ bắt đầu định thời dòng điện một cách thận trọng khi điện áp cảm biến tiến gần đến giá trị được quy định là 100 mV.

Ví dụ về thiết kế

Do tính linh hoạt mà thiết kế của các bộ điều khiển như ADM1177 mang lại, việc minh họa cách áp dụng một bộ điều khiển như vậy trong một ví dụ thiết kế cắm nóng 12V có thể hữu ích. Các điều kiện sau đây được giả định cho ví dụ này:

Bộ điều khiển là ADM1177

• V_IN = 12 V (±10%)
• V_{MAX =} 13,2 V
• I_TRIP = 30 A
• C _LOAD = 2000 μF
• V _ON = 10 V (mức điện áp nguồn tốt để bật bộ điều khiển)
• I _POWERUP = 1 A (dòng điện phân cực DC cần thiết cho tải trong quá trình khởi động)

Để đơn giản hóa cuộc thảo luận này, các phép tính không bao gồm ảnh hưởng của dung sai linh kiện. Tất nhiên, các dung sai này cần được xem xét khi thiết kế cho các điều kiện xấu nhất.

BẬT Ghim

Trước tiên, hãy xem xét điều kiện để kích hoạt bộ điều khiển khi điện áp nguồn vượt quá 10 V. Nếu ngưỡng của chân ON là 1,3 V, tỷ lệ chia điện áp từ V IN đến chân ON cần phải là 0,13:1. Để đảm bảo độ chính xác, cần phải tính đến dòng rò của chân khi chọn điện trở của mạch.

Mạch chia điện trở gồm hai điện trở 10 kΩ và 1,5 kΩ sẽ có tỉ số phù hợp là 0,130.

Lựa chọn điện trở cảm biến

Điện trở cảm biến được lựa chọn dựa trên dòng điện tải cần thiết để khởi động bộ hẹn giờ.

trong đó V _SENSETIMER = 92 mV.

Công suất tiêu tán tối đa của điện trở cảm biến ở dòng điện 30 A là

Vì vậy, điện trở cảm biến phải có khả năng tiêu tán công suất 3 W. Nếu không có sẵn một điện trở đơn có công suất hoặc điện trở phù hợp, điện trở cảm biến có thể được tạo thành từ nhiều điện trở.

Thời gian sạc điện dung tải

Thời gian cần thiết để sạc tụ điện tải phải được xác định trước khi chọn MOSFET. Trong giai đoạn khởi động , bộ điều khiển thường sẽ đạt đến giới hạn dòng điện do dòng điện khởi động yêu cầu từ tụ điện tải. Nếu thời gian được thiết lập bởi chân TIMER không đủ để cho phép các tụ điện tải sạc đầy, thì MOSFET sẽ bị vô hiệu hóa và hệ thống sẽ không khởi động được. Chúng ta có thể sử dụng phương trình sau để xác định giá trị lý tưởng:

Trong đó V _REGMIN = 97 mV là điện áp điều khiển tối thiểu của bộ điều khiển thay thế nóng.

Phương trình này giả định điều kiện lý tưởng là dòng tải tăng từ 0 A lên 30 A tức thời. Trên thực tế, điện tích cổng, Q _GS , của các MOSFET lớn hơn có tác dụng giới hạn tốc độ thay đổi điện áp cổng—và do đó là cấu hình dòng điện khởi động—để một lượng điện tích được cung cấp cho tụ điện tải mà không kích hoạt chức năng TIMER. Trong Hình 4, MOSFET có Q _GS cao hơn dẫn đến TIMER hoạt động trong khoảng thời gian ngắn hơn, T1 đến T3, so với MOSFET có Q _GS thấp hơn , khiến bộ hẹn giờ hoạt động trong khoảng thời gian T0 đến T2.

Điều này là do điện tích được truyền giữa T0 và T1 tích lũy ở mức thấp hơn giới hạn dòng điện. Do đó, thời gian cần thiết được tính toán có thể giảm tương ứng. Lượng này rất khó định lượng; nó phụ thuộc vào dòng điện cổng điều khiển và thông số kỹ thuật của MOSFET về điện tích cổng và điện dung. Vì nó có thể chiếm tới 30% tổng dòng điện tích trong một số trường hợp, nên cần phải xem xét yếu tố này, đặc biệt là trong các thiết kế sử dụng MOSFET lớn và dòng điện cao.

Đối với các thiết kế sử dụng MOSFET có điện tích cổng thấp hơn, có thể giả định điện áp cổng tăng nhanh. Điều này sẽ dẫn đến sự tăng nhanh từ 0 A đến I _TRIP , có thể gây ra các xung điện không mong muốn; trong trường hợp này, nên sử dụng khởi động mềm .

Khởi động mềm

Với chế độ khởi động mềm, dòng điện khởi động được tăng dần tuyến tính từ 0 đến mức tối đa trong một khoảng thời gian được thiết lập bởi tụ điện SS. Điều này sẽ tạo ra một đường dốc dòng điện khởi động giúp tránh tác động đột ngột của giới hạn 30A, và được thực hiện bằng cách tăng dần dòng điện tham chiếu. Lưu ý rằng dòng điện được điều chỉnh trong suốt sự kiện SS, và do đó bộ hẹn giờ hoạt động ngay từ khi quá trình khởi động mềm bắt đầu, như có thể thấy trong Hình 5.

Do đó, nên chọn thời gian khởi động mềm không quá 10% đến 20% tổng thời gian của TIMER. Trong ví dụ này, ta có thể chọn thời gian là 100 μs. Giá trị điện dung SS có thể được xác định như sau:

Trong đó I_{SS =} 10 μA và V_SS = 1 V.

Lựa chọn MOSFET và bộ định thời

Bước đầu tiên để chọn MOSFET phù hợp là lựa chọn các tiêu chí VDS _và ID _. Đối với hệ thống 12V, VDS _nên là 30V hoặc 40V để xử lý các xung điện có thể phá hủy MOSFET. ID _{của MOSFET phải lớn hơn nhiều so với mức tối đa yêu cầu (xem biểu đồ SOA trong Hình 3). Trong các ứng dụng dòng điện cao, một trong những thông số kỹ thuật quan trọng nhất sẽ là RDSON} của MOSFET . Giá trị thấp của thông số này sẽ đảm bảo rằng công suất tiêu hao trong MOSFET khi hoạt động ở mức tối đa là tối thiểu — và lượng nhiệt sinh ra ở tải tối đa là tối thiểu.

Các yếu tố liên quan đến nhiệt và điện năng

Trước khi xem xét các thông số kỹ thuật của SOA và việc lựa chọn TIMER, cần phải xem xét công suất tiêu tán của MOSFET ở tải DC tối đa vì cần tránh hiện tượng quá nhiệt. Khi nhiệt độ của MOSFET tăng lên, công suất định mức của nó sẽ giảm xuống . Ngoài ra, việc vận hành MOSFET ở nhiệt độ cao sẽ làm giảm tuổi thọ của chúng.

Hãy nhớ rằng bộ điều khiển hoán đổi nóng khởi tạo bộ hẹn giờ ở điện áp cảm biến tối thiểu là 92 mV. Để thực hiện phép tính này, chúng ta cần biết dòng điện một chiều tối đa có thể chảy mà không làm kích hoạt bộ hẹn giờ. Giả sử trường hợp xấu nhất là V _REGMIN 97 mV. Khi đó,

‍

Giả sử điện trở R_DSON tối đa của MOSFET là 2 miliôm, thì công suất là

Điện trở nhiệt của MOSFET ở nhiệt độ môi trường sẽ được ghi rõ trong bảng dữ liệu. Kích thước chân đế và lượng đồng bổ sung sẽ ảnh hưởng đến giá trị này. Giả sử

Do MOSFET cần tản nhiệt 2,1 W, nên trong trường hợp xấu nhất, nhiệt độ có thể tăng lên 126°C so với nhiệt độ môi trường xung quanh:

Một cách để giảm con số này là sử dụng hai hoặc nhiều MOSFET mắc song song. Điều này sẽ làm giảm hiệu quả điện trở R _DSON và do đó giảm công suất tiêu tán trong các MOSFET. Với hai MOSFET, nhiệt độ tăng tối đa là 32°C cho mỗi MOSFET, giả sử dòng điện được chia đều giữa các thiết bị (cần cho phép một số dung sai). Bảng sau đây thể hiện công suất trong mỗi MOSFET:

Với mức tăng nhiệt độ này và nhiệt độ môi trường giả định là T _A = 30°C, nhiệt độ vỏ tối đa dự kiến ​​cho mỗi MOSFET có thể đạt 62°C.

Các yếu tố cần xem xét đối với SOA của MOSFET

Bước tiếp theo là xem xét các đồ thị SOA để tìm MOSFET phù hợp xử lý các điều kiện xấu nhất. Trong điều kiện ngắn mạch xuống đất xấu nhất, V _DS có thể được giả định là V _MAX 13,2 V, vì đây sẽ là điện áp tối đa hiện diện trên MOSFET khi cực nguồn được kéo xuống GND. Trong điều chỉnh, trường hợp xấu nhất sẽ dựa trên thông số kỹ thuật tối đa trong bảng dữ liệu cho điểm điều chỉnh của bộ điều khiển hoán đổi nóng. Giá trị này bằng 103 mV. Dòng điện sau đó có thể được tính như sau:

‍

Trước khi so sánh điều này với đồ thị SOA của MOSFET, chúng ta cần xem xét sự suy giảm công suất của MOSFET theo nhiệt độ, vì đồ thị SOA dựa trên dữ liệu ở nhiệt độ môi trường xung quanh, T _C = 25°C. Trước tiên, hãy tính toán công suất tiêu tán ở T _C = 25°C:

trong đó R _thJC được chỉ định trong bảng dữ liệu MOSFET.

Bây giờ hãy thực hiện phép tính tương tự cho T _C = 62°C:

Do đó, hệ số giảm công suất 1,42 được tính như sau:

Điều này cần được áp dụng cho đồ thị SOA của MOSFET trong Hình 3. Các đường chéo biểu thị thời điểm công suất tối đa được áp dụng cần được dịch chuyển xuống dưới để phản ánh công suất định mức đã điều chỉnh.

Trước đó, chúng ta đã sử dụng đường cong 1 ms làm ví dụ để minh họa cách hoạt động của các đường cong. Ví dụ, hãy lấy một điểm trên đường cong đó—chẳng hạn (20 A, 40 V); công suất tại điểm đó là 800 W. Áp dụng công thức giảm công suất:

Ở điện áp 40 V, dòng điện tương ứng với công suất giảm là 14 A. Việc vẽ điểm này trên đồ thị SOA sẽ xác định một điểm trên đường cong 1 ms mới với công suất giảm ở 62°C. Các đường cong 10 ms và 100 μs mới có thể được thiết lập theo cùng một cách. Các đường cong mới được hiển thị màu đỏ trong Hình 6.

Chọn tụ điện hẹn giờ

Các đường giảm công suất mới của SOA có thể được sử dụng để tính toán lại giá trị TIMER. Vẽ một đường ngang từ I _MAX ≈ 35 A và một đường thẳng đứng từ V _MAX = 13,2 V (các đường màu xanh nhạt), sau đó xác định điểm giao nhau của chúng so với các đường màu đỏ. Chúng biểu thị một khoảng thời gian từ 1 ms đến 10 ms, có thể là ~2 ms. Rất khó để có được các số liệu chính xác tuyệt đối trong một vùng nhỏ của đồ thị trên thang logarit, vì vậy cần đưa ra các lựa chọn thận trọng để đảm bảo áp dụng dung sai đầy đủ — đồng thời xem xét ảnh hưởng của những lựa chọn này đến các tiêu chí khác như hiệu suất và giá cả.

Hãy nhớ rằng thời gian ước tính để sạc tải là khoảng 850 μs. Vì thời gian khởi động mềm được thiết lập bằng một đường dốc tuyến tính, nên sẽ mất nhiều thời gian hơn (so với thay đổi đột ngột) để sạc các tụ điện tải. Để ước tính tổng dung lượng sạc, giả sử rằng một nửa thời gian SS sẽ được cộng vào thời gian tính toán nếu sử dụng khởi động mềm; do đó, cộng một nửa thời gian SS (50 μs) vào 850 μs, dẫn đến tổng thời gian khoảng 900 μs. Nếu MOSFET được chọn có điện tích cổng lớn (ví dụ: ≥80 nC), thì thời gian này có thể được giảm thêm, như đã thảo luận trước đó. Nếu thời gian sạc tải nhỏ hơn thời gian SOA tối đa, thì MOSFET đó phù hợp. Trong trường hợp này, tiêu chí được đáp ứng (0,9 ms < 2 ms).

Giá trị TIMER nhỏ hơn 2 ms là đủ để bảo vệ MOSFET—và lớn hơn 0,9 ms để sạc tải. Nếu chọn giá trị thận trọng là 1 ms, điện dung có thể được tính như sau:

Trong đó I _{T IMER} = 60 μA và V _TIMER = 1,3 V.

Khi sử dụng các MOSFET mắc song song, các phép tính để lựa chọn bộ định thời (TIMER) sẽ không thay đổi. Điều quan trọng là bộ định thời và mạch bảo vệ ngắn mạch phải được thiết kế với một MOSFET duy nhất. Lý do là điện _{áp ngưỡng} VGSTH có thể khác nhau đáng kể giữa các MOSFET, do đó một MOSFET duy nhất có thể cần phải xử lý một phần lớn dòng điện trong quá trình điều chỉnh.

Thiết kế Hot-Swap hoàn chỉnh

Thiết kế thay thế nóng với các MOSFET mắc song song được thể hiện trong Hình 7 với các giá trị linh kiện chính xác. Bộ điều khiển thay thế nóng ADM1177 thực hiện các chức năng bổ sung. Nó có một bộ chuyển đổi ADC tích hợp trên chip có thể được sử dụng để chuyển đổi điện áp nguồn và dòng điện tải thành dữ liệu số—có thể được đọc ra thông qua bus I2C ^, cung cấp chức năng giám sát dòng điện và điện áp tích hợp đầy đủ.

‍