德州仪器公司 戴和平
Texas Instruments Heping Dai

引言
　　热交换控制是一种广为采用的技术，可以在不中断主机电源的情况下安全地从主机系统或背板处插拔模块。如果我们需要随时随地替换模块的话，那么通常就要求具备该特性。这样的要求可能就可以实现维修、再配置、冗余或系统升级等目的。热交换在实用性要求很高的系统（如 Compact PCI、USB、1394 和一般性电信应用等）中非常有用。通过以太网供电 (POE) 是最热门的电信应用之一，尽管它未被定义为热交换系统，但必须使用热交换技术，以提高其在加电过程中和故障条件下系统性能。
为了满足应用所要求的高实用性特性，我们必须讨论随热交换设计而来的一系列需要考虑的事情，如较大的电压和电流瞬变、突入电流和操作安全性等。最重要的热交换问题就是控制热拔插突入电流，在已放电电容性负载附加卡插入工作背板时避免出现较大的输入电压浮动，在故障条件下保护上行系统，最后还有很重要的一点，就是在所有应用指定的条件下进行安全操作。

　许多不同的应用要求热交换，市场上也具备许多热交换控制器。但是，并非所有热交换控制器都能满足高实用性系统的要求。目前常用的热交换控制器或按电压线性上升 (dV/dt)，或按电流线性上升 (dI/dt)。第三种则为功率限制型按电流上升的热交换控制器，它可以保证热交换系统的安全操作。设计人员在选择热交换IC解决方案时必须了解系统的确切要求以及热交换控制器的特性，这是的至关重要。

dV/dt热交换控制
　图 1 显示了相当于典型 dV/dt 热交换控制器电路的简化版。输出电压的线性上升速度跟随门极电压线性上升速度，不具备输出电压反馈

。因此，通道晶体管在斜线上升时作为源跟随器运作，随后转变为低阻抗电源路径，用于稳定状态操作。输出电压上升速度基本由门极电压控制。
这就是说：
1)
　　但是，为了满足各种应用的要求，门极电压上升速度必须是可调节的。我们以德州仪器公司出品的 dV/dt 热交换 IC TPS2331为例来说明。我们以恒流源给门极电容器充电，如图 2 所示在门极产生线性上升的电压源。我们用断路器钳定最大负载电流，用齐纳二极管钳定门极上的最大电压。
这里Ig 是一个恒流源，它在加电期间给 MOSFET 门上的门极电容充电，而VREF 则是恒压源，它设置最大突入电流。

因此，输出电压斜线上升速度将取决于门极电容 Cg。
(2)
　　通过调整 Cg 电容值，就可以实现对输出电压的电压上升速度的控制。
突入电流是加电期间的电流，这是一个常量。如果没有其他负载（如电阻负载或电流负载），除了输出端的负载电容之外，加电突入电流的大小是由负载电容和门极电容之比率决定。如下所示：
(3)
　　为了降低上行电源的瞬变峰值并保护通道晶体管，通常会设置电流限制 (ILMT) 来约束最大操作负载电流和突入电流。当负载电容就门极电容而言相当大时，根据方程式 (3) 计算的突入电流将大于 ILMT，因此突入电流可由以下方程式得出。
(4)
　　图 3 显示了 48V 热交换系统加电过程中不同负载电容的突入电流。如果上行电源没有足够的容量处理高强度电流要求的话，图 3 所示的突入电流可能在输入终端造成严重的电压浮动。
　　

但是，在MOSFET门极和基极之间放置外部电容可降低电压线性上升速度并降低突入电流。
SS为了避免晶体管在严重故障条件（如输出完全短路 (hard-short)）下损坏，通常会将一些保护电路集成于dV/dt热交换控制器。常用的一种技术是超时电路和断路器，如果故障持续时间超过了计时器设置的时段，那么开关就会关闭。我们也常利用电压控制电流返回来降低完全短路 (hard-short) 条件下的电流限制。就48V电信热交换系统而言，图4显示了使用德州仪器的TPS2490的一种典型dV/dt解决方案。虽然TPS2490是一个功率限制、电流上升型热交换控制器，但如果如图4所示进行配置的话，其可作为 dV/dt控制器。

dI/dt热交换控制
　

　图 5 显示了电流线性上升型控制器的简化等效电路。通常以低值电阻感应负载电流，并将其与参照电流 IREF 加以比较，该参照电流是线性上升的。参照电流线性上升的速度控制着

负载电流的 dI/dt值。钳定电压常量（IREF 中平坦的部分）在斜线上升后限制负载的最大电流。
为了对 dI/dt速度进行编程，常使用类似德州仪器推出的 TPS2390 中的电路（如图 6 所示） 生成电流线性参照源并设置最大负载电流限制。通过调整电容 CRAMP，我们可以实现对突入或负载电流的 dI/dt 速度的可编程控制。
　　图 7 给出了 -48V 热交换应用示意图，使用 TPS2390 作为实例。通过调整 CIRAMP，可控制突入电流的 dI/dt 速度。
　　图 8 显示了在使用了两个不同 dI/dt 斜线速度时，基于 TPS2390 热交换控制器的电流斜线加电事件的实验结果。在两个例子中，输出电流开始都是缓慢上升的，这也是许多网络热交换应用所希望的。

限制功率的热交换控制

　　如果功率MOSFET管在其安全操作范围（SOA，包括对电流、电压和功率限制）之外运作的话，它可能会损毁。dV/dt和dI/dt控制不包括对

FET的功耗的控制，因此如果热交换系统中的保护电路设计不佳的话，通道FET就可能被毁坏。为了保证不超过FET的安全操作范围，我们可以使用类似德州仪器推出的TPS2490这样的功率限制热交换控制器。该热交换控制器包括可以独立调整的电流和功率限制电路系统。该控制器可就外部通道晶体管的功耗限制加以编程，从而始终保证在SOA的限制范围内工作。
图9显示了功率限制型热交换控制器的简化原理电路。
　　本示意图中显示的电流参照IREF与MOSFET上的电压下降Vds成反比。因此，当设置功率限制PLMT时，初始开启电流在输出电压低时较小，并随着输出电压的升高而变大。
相比较于前面的dV/dt或dI/dt控制而言，功率限制控制的主要优势在于MOSFET的功耗完全控制在恒定功率级别上。功率限制使用MOSFET的漏源压差作为反馈，可自动根据功率限制和FET的电压来调整电流限制大小。
　　图10给出了使用TPS2490功率限制热交换控制器的应用示意图。
　　该图与图4非常相似，不过没有额外的门极电容，并在PROG引脚上使用分压器来设置MOSFET的功率限制。
　　图11给出了基于功率限制配置的试验结果。

不同热交换控制的比较

　　热交换控制器的主要功能在于加电过程

中的电流和电压控制和故障保护。图 12 中的示意图显示了使用所有三种热交换控制器

的理想加电性能。
以上各示意图显示了加电电流（突入电流）、输出电压、通道 FET 漏源压差和 FET SOA 曲线对应的 FET 工作范围。以上 FET 运行曲线代表较大输出电容的情况，这样加电时会达到电流限制，这也是为什么需要热交换控制的主要原因之一。
　　

在 SOA 限制的基础上，功率限制控制是唯一能够保证FET在安全操作领域内的。就 dV/d 和dI/dt 控制而言，电流限制必须减小，抑或上升时间必须较SOA曲线所指定时间要短。dV/dt 控制的斜线上升速度快于 dI/dt 和功率限制控制，而 dI/dt 控制斜线上升的速度又快于功率限制控制。为了保证 FET 的安全操作，dV/dt 或 dI/dt 热交换控制的设计比功率限制控制要更为复杂。
　　在故障条件下，上述三种控制方法的性能有所不同。举例而言，如果通道晶体管的输出完全接地短路（hot-shorted to ground），图 13 给出了三种热交换控制在这种情况下的性能比较，但不考虑故障超时或其他保护电路的情况。
　　SOA 示意图上的点代表输出完全接地短路时的 FET 的运行点。在这种情况下，dV/dt 和dI/dt 控制的电流限制必须降低，抑或需要采取其他保护措施才能保证FET的安全运行。常用的保护方法是超时功能，几乎所有的热交换控制器都提供这一保护功能。该方法采用计时器电路，当感知故障时就开始计时。一旦达到了预定义的时间限制，控制器就会关闭 FET，从而避免 FET 过热或损坏。举例而言，在图 13 所示的操作状态基础上，dV/dt 和 dI/dt 控制的超时限制应当小于 1ms，但就功率限制控制而言，限制值可以高于10ms。较长的超时时段的好处在于，即便负载瞬变较大也能保证不断电。这就 ±48V 网络电源应用而言是非常重要的, 因为暂时瞬变就关闭系统的做法是不可取的。
　　由于功率限制能够保证FET不超出SOA的范围，且只需电阻分压器就可以设置限制，因此设计功率限制热交换功率级是非常简单的。dV/dt 控制设计也很简单。但是，取决于负载电容的峰值突入电流和超时限制会使设计工作变得稍显困难。较之于电压线性控制方法而言，dI/dt 控制的电路设计和组件选择要更为复杂，特别是当需要的 dI/dt 线性上升速度超过一个时更是如此。不过，这种复杂性也为开发可靠的热交换解决方案提供了灵活性，适用于具备未知电容负载或较大电容负载的系统。
　　相对于电压线性式控制器器件而言，功率限制和dI/dt控制对整个背板（上行电源）的电压下降影响较小，这是由于其较低的 dI/dt 速度使然。dV/dt 控制在插入或开通时可能产生较大的突入电流。该突入电流可能造成整个背板的电压下降。根据电流阶跃幅度、电源输出阻抗、电源分布阻抗、热插入卡输入阻抗以及系统其他部分的电压偏移灵敏度，总系统功能可能因插入dV/dt 控制卡而受影响。如果背板的总电容足够大，那么突入电流造成

的电压下降可能较小，但这会给系统增加更多成本。
　　dI/dt控制的另一优势在于线性电流的谐波含量低于电压斜线设备的阶跃电流，特别在更高频率下更是如此;因此，dI /dt控制型方法的功率分配所生成的噪音要低于dV/dt控制型方法。阶跃电流生成的噪音可能影响系统的其他部分，这取决于其他系统元素的敏感度。
　　

如图 11 所示，功率限制控制也有较小的阶跃电流。但是，我们通过在 PROG 引脚上添加小型陶瓷电容器（参见图 10）就可以消除上述较小的阶跃电流。因此，功率限制控制型系统中的dI/dt速度和噪音含量要小于 dV/dt 控制型系统。
　　不过，上述所有三种热交换控制技术在各种电信系统中都有应用。功率限制控制适应于很多电信热交换应用，这是由于其改善了热交换的安全性使然。dI/dt 控制可用于某些加电时需要线性上升电流的特定应用，而dV/dt控制则适用于要求电压线性上升的负载。
　　我们在下面的部分中将给出新兴电信应用的一个实例，来了解一个简单的48V电信系统热交换设计。

　　一个可行的以太网加电情况下的热交换应用
　通过以太网加电(POE)是一种新兴的 48V 网络应用。POE 是由 IEEE 提出的用于控制以太网加电和断电的协议。但是，由于某些条件所限，设计人员必须采用热交换控制技术。举例而言，快速的断开并再连接就会形成一个 48V 热交换环境。
　　图14显示了通过以太网加电的典型终点电源插入配置。由于要进行高压插拔，因此在驱动器件 (PD) 端需要进行热交换控制，以管理突入电流并保护导通元件。如图所示，德州仪器公司推出的 PD 器件 TPS2370 是一个 dV/dt 型 -48V 热交换电源管理器。由于通道 FET 集成在该器件中，因此内部电流限制和热保护能够保证 FET 的安全操作。供电设备 (PSE) 端使用 TPS2383（也由德州仪器公司推出），管理从 PSE 电源到多达 8 个的 PD 的电源分配。PSE 设备还实现电流限制，这样，如果插入了错误 PD 的话，PSE电源能够得到保护。
由于POE 要求PD在一定时间范围内完成加电， dV/dt 控制满足这一需求，因为它加电上升的速度快于dI/dt 和功率限制型控制。TPS2370 器件还实施可调整的突入电流限制特性，因此加电上升时间即便在负载电容很大的情况下也可控制在要求范围内。 结论
　　由于在网络中采用 ±48V电源，因此热交换控制对保护网络不发生中断或故障并减小总系统成本而言是至关重要的。三种不同的控制（包括斜线性电压上升控制、斜线性电流上升控制以及功率限制控制）都在目前的热交换控制器中得以采用。正如我们已经指出的那样，各种可用的选项之间存在性能差别。设计人员必须考虑到上述差别，加以平衡选取，从而确定针对其特定应用而言应采用哪种最佳方法。

图14　通过以太网加电的配置