確保雲端設備運作安全　熱插拔晶片邁向多功能/高整合

2015-03-09

宋自恆

伺服器電源功率高達1千瓦，相關設備開發商遂在電源輸入端配置熱插拔晶片，以確保系統安全。因應此一需求，電源晶片業者競相開發多功能、高整合的熱插拔晶片，期以最小電路板占位空間，達到最佳的保護效果。

現今通信設備與伺服器電源功率高達1千瓦，相關設備開發人員多半會在電源輸入端配置熱插拔晶片，以確保系統安全運作。因應此一設計需求，電源晶片業者正競相開發多功能、高整合熱插拔解決方案，期以最小的電路板占位空間與零件成本，達到最佳的保護效果。

由於物聯網的帶動，2015年資訊與電信產業持續看好。伺服器、網路交換機、磁碟陣列以及高電流的通訊基礎設備，都需要每天24小時的工作，以達到零停機率的要求，才能提供更好的服務品質。

一般而言，如果局端有伺服器或通訊模組須要替換、更新或維修，則舊的裝備須在線上移除，而新的裝備也要在系統仍正常運作的情況下插入替換，此時即需要熱插拔(Hot Swapping or Hot Plugging)電路的裝設，以避免插拔過程中發生故障的風險。

然而，現有的伺服器或通信設備的電源功率可高達1千瓦(W)而電流可達100安培以上，工程人員若沒有經過特別的設計處理，直接將模組做熱插拔的動作，則會有電弧(Arcing)產生，以致接觸點的燒毀或產生瞬間幾百安培的電流。因此，為了實現安全的熱插拔，相關設備開發人員多半會在電源的輸入端配置熱插拔專用電路，以保障系統安全無虞。

新式的熱插拔晶片多半具備過電壓、過電流和過溫保護，以及線上電壓、電流及功率計算等功能，在安全層面以外更附加了資料蒐集及物聯概念的價值。本文由簡而繁，介紹不同的熱插拔電路，並以實務的角度，討論在高於100安培的高電流規格下，電路板的設計方式，同時剖析市售晶片的發展方向。

保護機制不周全　舊式熱插拔電路問題多

基本型的熱插拔電路如圖1所示，其中電晶體Q1為PMOS，當電源12VDC接達時，Q1關斷，而輸入電流循C1, R1對C1充電，當C1充到超越Q1的閘極臨界電壓VGS,th時，則Q1緩慢導通，使用齊納二極體BZV55是為了限制Q1的VGS電壓上升過壓。電容C1值和VGS,th的大小特性決定Q1導通速度的快慢，使電流以慢速向輸出電容C2充電，輸出負載R2的電壓呈現緩和上升而非一次到位的高電壓電流尖波。

圖1　典型熱插拔電路架構圖

然而，上述電路設計有些問題，其一是Q1的VGS最大耐壓通常約為±20V，若在24V的工業應用和48V的通訊電路應用上，此電路不能用。其二是在電源快速開或關時，C1的電荷依舊讓Q1維持的導通；每當手動開關時，都會發生極高的瞬間電流而無任何限流保護，增加電路的危險性。最後一點是電路的限流作用，只在C1無電荷或開機啟動時的狀況，當Q1導通且C1充滿電壓時，此電路並無過電流或短路保護的作用。

改良式的熱插拔電路如圖2所示，引用PNP電晶體Q1和限流電阻R1來提供一個連續時間的電流偵測和限流保護。當電源連接後，過電流保護發生時，電流經過R1和Q2而流至負載，流過R1的壓降，若超過Q1的VBE之膝點電壓時，則Q1會導通，電容C1會經由R1和Q1的VCE放電，以使Q2的VGS縮小，進而使Q2截止，以達到限流保護的作用。齊納二極體BVZ55在線上亦可預防Q2的VGS和Q1的VCE過電壓，其齊納電壓VZ值必須小到能保護Q1的VCE，大到能讓Q2作用完全導通。

圖2　改良式的熱插拔器

此種電路的好處是多加了限流電路，而限流作用永久有效。但此電路尚有的缺點是限流電阻R1會一直耗損功率，而且Q1的VBE電壓對溫度很敏感，通常溫度由-40o~85℃變化時，限流保護點的誤差可達±20%。

克服傳統設計挑戰　多功能熱插拔方案獻計

經過多年的改良，新式的多功能熱插拔晶片(Multi-Function Hot Swap IC)可以解決上述自組電路的問題，茲將熱插拔電路運用於100A以上、12V輸入之高電流伺服器的電源供應系統如圖3。其電源路徑是由切換式電源(Power Supply)提供12V規格的電源，進入A和B點間的電流偵測電阻(Current Sense Resister, CSR)，而後由B和C點間的MOSFET控制輸入電源到伺服機的主板(Mother Board)上，其偵測電阻和MOSFET的數量可由負載電流的大小而定，一般選用RDS,on=1mΩ的MOSFET約可承受的20A電流。過了C點後電源進入主板，在大型的伺服電源路徑中，常在12V轉5V或3.3V的系統電源轉換器之前加入小型的熱插拔IC以做其支路的保護，越多的電流分流，及越高功率的系統所需的熱插拔IC越多。

圖3　高電流伺服器的電源供應系統圖

在訊號線的部分，多功能熱插拔IC會具有Sense+和Sense-接腳來量得主電流資訊，以提供IC得到電流讀值來做過電流保護和消耗功率的測量，而由Sense+和PGND的壓降可得主線的電壓資訊。SDA和SCL是I2C或PMBus的通訊線，用來傳送或接收IC處理過的資料。Alert線是在異常狀況下用來產生警示的訊號以通知外界如CPU等晶片，做適當的保護或中斷機制，PSU_PG線則用來通知CPU電源已正常供電。常用的熱插拔IC如表1所列，其具有下述的功能。

‧	IC供應電壓範圍可達2~100V，故通訊48V可動作。
‧	短路保護反應時間(Respose Time to Short Circuit)小於於500奈秒(ns)。
‧	具有類比數位轉換器(Analog to Digital Converter)可將輸出入的電壓電流及功率送到輸出介面如PMBus或I2C Bus以利能源監控。
‧	能隨輸出電壓的不同而調整限流程度的大小，當輸出電壓較低，則限制電流愈低，如圖4，其縱軸為電流限流值，橫軸為輸出電壓值。此功能叫折返式(Fold-back)保護，此法有助於讓電壓與電流落在MOSFET的安全工作範圍內(Safe Operation Area, SOA)。
‧	MOSFET故障檢檢測，當MOSFET有燒毀現象時，IC會偵測到並做保護與通知。
‧	過溫度保護(Over Temperature Protection, OTP)。
‧	限流電阻只需5~25mV的壓降即可限流，不耗費能源。
‧	VIN、VOUT、溫度和電流的量測精準度，可達的±0.5%準度。
‧	可自訂啟動電流的限流大小。
‧	低電壓保護(Under Voltage Protection, UVP)和過電壓保護(Over Voltage Protection, OVP)可精準到1%。
‧	具耗電報知作用。
‧	電壓、電流和功率的峰值檢測。
‧	具數位輸出入介面，如I2C或SMBus。
‧	主線開關可使用N型MOSFET，這是由於內部IC具有電荷浦電路(Charge Pump)做升壓來驅動N型MOSFET開關，一般N型MOSFET安全工作區的範圍較大，選擇性也較多。

圖4　折返式保護功能示意

實現高電流熱插拔電路

大型伺服機的電源通常超過一千瓦以上，以輸入電壓12V而言，其電流在滿載時，可高達100安培以上。而在插拔的過程中，其電流的峰值可達數百安培。因此在電路板的布局及就經驗值而言，一顆LFPAC 5mm×6mm，RDS,on=1mΩ的MOSFET約可承受20A電流，而1.2KW規格的伺服器由於輸入電壓為12V，其電流約100A。選用MOSFET時，電壓VDS選用輸入電壓的2倍是足夠的，一般選擇VDS,Max=25?30V的MOSFET。電流100A可選用RDS,on=1mΩ左右的MOSFET用五顆以上並聯，市售熱插拔器所使用的MOSFET，如表2。

檢驗MOSFET在熱插拔電路的場合適用程度，要比較MOSFET安全工作區(Safe Operation Area)的大小及在閘極驅動導通10毫秒的Pulse時供應VDS=10V時的條件，其洩極電流ID的耐電流值，舉圖5為例，恩智浦(NXP)的PSMN1R3-30YL、PSMN0R9-25YLC及VISHAY的SiR812DP三種MOSFET的SOA，以NXP的PSMN 1R3-30YL的SOA面積為最大以及VDS=10V且10毫秒導通時的洩極電流ID的耐流值約40A為最高。

圖5　NXP和VISHAY三種MOSFET的SOA

圖6為亞德諾(ADI)的控制晶片ADM1278的電路簡圖，圖上的A、B與C點對應於圖3和圖6的系統圖標示點，其布局重點如下(圖7)：

圖6　ADM1278的電路簡圖

圖7　熱插拔電路布局重點

1.	由於高電流規格之故，銅箔必須在同一層，且有足夠的寬度。主線(Main Line, +12V Main)由於貫孔或換層易產生電感效應，故避免有貫孔或換層的狀況，且其寬度通常1A約需40密爾(mil)的寬度。
2.	對於電流偵測的訊號線，應以兩端對稱且個別電阻拉回IC的凱文偵測(Kelvin Sense)的方式進行。
3.	控制晶片周邊的訊號地(AGND)及主線大電流的參考地(PGND)應分開規畫，而後再接至同一端點。
4.	由於MOSFET可能為五至六顆並聯且驅動大電流之故，所以MOSFET閘極至控制晶片的路徑要儘量縮短而加粗。一般安排的寬度約為20~40密爾。
5.	控制晶片的正下方要有整面的接地層以及貫孔，以利散熱及防止雜訊干擾之用。

熱插拔控制器邁向整合

由於IC設計整合化的趨勢，新式的熱插拔系統傾向內包式晶片，即把控制晶片和MOSFET包在同一個包裝之中，目前較新的晶片，如德州儀器(TI)的TPS2420、Maxim的MAX15069和凌力爾特(Linear Technology)的LTC4219都是此類的晶片，如圖8為TPS2420的電路簡圖。

圖8　TPS2420電路簡圖

在小型的伺服器磁碟陣列(RAID Arrays)，通訊設備、熱插拔電路板(Plug-in Circuit Board)、磁碟機(Disk Drive)以及風扇控制器(Fan Control)等，此類IC可節省體積以及另購零件的成本，但目前待克服的要點為輸入電壓和電流數受到限制，以及內建的MOSFET的RDS,on過高，其最高值約25~50mΩ。在此將德州儀器、凌力爾特和Maxim的晶片大小、輸出入電壓電流以及內建的MOSFET開關電阻列出以供比較(表3)。