直流升压电路中热插拔保护电路的原理及实现
本文详细分析了直流升压电路中热插拔保护电路的设计与实现。本文详解了电路参数设计、开关波形以及设计实例。经验证，利用热插拔保护电路芯片，避免了直流升压电路在输出过流短路的故障和缺陷，可靠性大大提高。
热插拔保护电路通常用于服务器、网络交换机、以及其他形式的通信基础设施等高可用性系统。这种系统通常需要在带电状态下替换发生故障的电路板或模块，而系统照样维持正常运转，这个过程称为热插拔（Hot Swapping）。本文将阐述热插拔控制器的另一种用法，利用热插拔保护电路具有的过流和短路保护功能，解决开关直流升压电路的输出端保护问题。
1 开关直流升压电路的基本原理
开关直流升压电路（The Boost Converter或者Step-up Converter），是一种开关直流升压电路。输出电压高于输入电压，输出电压极性不变，基本电路图如图1所示。
图1 开关直流升压电路
开关管导通时，电源经由电感-开关管形成回路，电流在电感中转化为磁能贮存；开关管关断时，电感中的磁能转化为电能在电感端左负右正，此电压叠加在电源正端，经由二极管-负载形成回路，完成升压功能。
输出过流时，电路会采样开关管的峰值电流，减小占空比，导致输出电压下降。当输出电压降到输入电压时，过流保护不再受控，保护失效。另外输出过流点还会随着输入电压升高而变大。当输出短路时，输入电源会通过电感、升压二极管形成短路回路，导致电源故障。BOOST电路还有一个缺陷是不方便控制关闭输出，当控制芯片关闭，开关管截止时，输出仍然有电压，不像BUCK电路，很方便的将输出电压降到0 V.
2 热插拔控制器的基本原理
热插拔（Hot-Plugging或Hot Swap）即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性。如果没有热插拔控制器，负载端的模块插拔时，会对电源产生浪涌电流的冲击，影响电压的稳定与电源的可靠性。这个问题可通过热插拔控制器来解决，热插拔控制器能合理控制浪涌电流，确保安全上电间隔。上电后，热插拔控制器还能持续监控电源电流，在正常工作过程中避免短路和过流。
3 关键电路设计与实例
3.1电源要求
电源实例如图2所示，其中的电源输入9~18 V，额定输出28 V/1.2 A，过流保护1.5 A.
图2 电源实例3.2电路简介
这是一款用了TPS2491热插拔控制芯片的升压电路，带有输出过流短路保护，当遥控端CTL接地时，电源进入待机模式，输出为零。
热插拔控制器包括用作电源控制主开关的N沟道MOSFET、测量电流的检测电阻以及热插拔控制器TPS2491三个主要元件，如上图2所示。热插拔控制器用于实现控制MOSFET导通电流的环路，其中包含一个电流检测比较器。电流检测比较器用于监控外部检测电阻上的电压降。当流过检测电阻上产生50 mV以上电压的电流将导致比较器指示过流，关闭MOSFET.TPS2491具有软启动功能，其中过流基准电压线性上升，而不是突然开启，这使得负载电流也以类似方式跟着变化。
TPS2491内部集成了比较器及参考电压构成的开启电路用于使能输出。比较器的开启电压为1.35 V，关闭电压1.25 V，有0.1 V的滞差保证工作的稳定。通过分压电阻精确设定了使能控制器所必须达到的电源电压。器件一旦使能，MOSFET栅极就开始充电，这种电路所使用的N沟道MOSFET的栅极电压必须高于源极。为了在整个电源电压（VCC）范围内实现这个条件，热插拔控制器集成了一个电荷泵，能够将GATE引脚的电压维持在比VCC还高10 V的水平。必要时，GATE引脚需要电荷泵上拉电流来使能MOSFET，并需要下拉电流来禁用MOSFET.较弱的下拉电流用于调节，较强的下拉电流则用于在短路情况下快速关闭MOSFET.
热插拔控制器还有一个模块为定时器，它限制过流情况下电流的调节时间。选用的MOSFET能在指定的最长时间内承受一定的功率。MOSFET制造商使用图3标出这个范围，或称作安全工作区（SOA）。
图3 MOSFET安全工作区定时器还决定控制器自动重启的时间，故障导致关闭MOSFET，经过16个振荡周期后，芯片重新使能输出。
3.3设计过程
（4）选择CT
选择合适的电容，保证输出启动时能完成输出电容的充电且不引起故障保护的动作。
（5）选择使能启动电压
EN端启动电压为1.35 V，关闭电压为1.25 V.利用此引脚，可以做输入欠压保护；设计分压电阻为240 kΩ和13 kΩ，开启电压为26.3 V，在24.3 V时关闭。
（6）其他参数
GATE驱动电阻，为了抑制高频振荡，通常取10Ω；PG端上拉电阻，保证吸收电流小于2 mA，在本设计中不需要，悬空处理；Vcc端旁路电容，取0.1μF.
电源使能端串联一个二极管BAV70，低电平时可以关闭升压电路和电源输出。
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- 第二页：关键电路设计与实例；
- 第三页：测试结果和各测试点的工作波形
4 测试结果和各测试点的工作波形
测试结果为过流保护动作点：1.45 A；输出长期短路无损坏，短路去除恢复输出；遥控端使能工作正常。
上电时各个测试点波形如图4所示。
图4 上电波形图4中CH2是升压后的电压，当输入加电，升压电路立即工作，很快达到28 V.为了防止后极负载的浪涌电流对MOSFET的冲击，可以看到驱动电压（CH1）是缓慢上升的，输出电压（CH3）也是跟随缓慢上升。在启动过程中，很明显看到MOSFET的驱动电压不高，MOSFET工作于线性区，同样可以抑制输出端电流的增大，有效保护MOSFET在启动过程中不过载。
正常工作时的各点电压如图5所示。由图5可以看到，正常工作时，输出电压（CH3）等于升压后的电压（CH2），MOSFET驱动电压（CH1）比输出电压高了14 V，可以保证MOSFET良好导通，降低热耗和压差。
图5 正常工作波形当负载过流或短路时的波形如图6所示。由图6可以看到，当输出过流或短路时，MOSFET驱动电压（CH1）迅速下降，导致输出电压（CH3）跟着下降，有效的保护电源的安全。经过2 s的重启周期后，驱动电压有个小小的试探电压，如果故障仍然存在，重启不成功，驱动电压又恢复到零。反之重启成功，正常输出。如图7所示。
图6 故障保护波形
图7 电源重启波形
实践证明，基于TPS2491热插拔控制器的保护控制电路具有电路简单可靠，应用方便的特点。本电路应用于开关直流升压电路中，完美解决了原来没有输出过流短路保护以及不能遥控输出的缺陷，收到了良好效果。
