一种应用于直流电源的热插拔保护电路制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；采样电阻RS的两端分别与过流保护单元的输入端连接；过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。本发明专利技术采用通用的分立式元器件设计，电路结构简单，成本低，使用灵活。灵活。灵活。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于直流电源的热插拔保护电路


[0001]本专利技术涉及热插拔
，特别是一种应用于直流电源的热插拔保护电路。

技术介绍

[0002]热插拔(Hot Swap)即带电插拔。热插拔功能允许用户在不关闭系统和不切断电源的情况下，插入或拔出需要新增或替换的板卡、模块等部件不影响系统的正常工作，从而提高系统的可靠性、快速维修性、冗余性等。热插拔技术是实现电源连续运行和设备不停机维护的关键技术。
[0003]在电子通信系统中设备多采用标准的机架式服务器结构，具有良好的可扩展性和冗余性，可支持功能不同的标准板卡的扩展和更换。在军事、通信、金融等领域，机架式服务器设备上线工作就基本不允许断电，提升、扩展、维护设备时就需要带电插入或者移除标准板卡。如果标准板卡的电源没有热插拔保护，一方面在热插拔过程中连接器的机械触点在接触瞬间会出现弹跳引起电源振荡，这个过程不仅会引起系统电源跌落影响其他在位板卡的正常工作，甚至造成系统重启，更可能会引起连接器打火，引发火灾；另一方面，由于插入板卡上的大容量储能电容的充电效应，板卡插入时电源会出现很大的浪涌电流，此浪涌电流可能会烧毁设备电源保险丝和电子元器件。
[0004]早期的热插拔技术的实现主要是依靠电容和电感抑制冲击的瞬间，但是可能导致电源受到巨大冲击，系统因此发生复位和重启；后来随着半导体技术的发展，热插拔技术主要通过三极管等分立器件来实现对电源的热插拔保护；当代随着集成电路技术的成熟，新型的热插拔芯片不断出现，热插拔技术逐渐实现了对电源电压和电流精确控制的目标。所以目前实现电源热插拔的技术方案主要有两种，一种是选用热插拔保护芯片和芯片外部在输入电源和被保护负载之间串联采样电阻和MOSFET来实现；另外一种是选用分立式元器件搭建电路实现电源热插拔功能。
[0005]其中第一种方案，热插拔保护芯片通过输入电压检测引脚采集电压实现过压保护，通过检测采样电阻两端的电压大小来实现过流保护，另外可以通过EN使能引脚来控制电源的接通或断开，同时可以对外接MOS通断的进行精确控制，进而实现热插拔过程中电源电流、电压的精确控制。但是热插拔芯片当前基本没有实现全部国产化，不符合当前一些特殊关键设备全国产化的要求。
[0006]第二种方案，用于实现电源热插拔功能分立式元器件主要有TVS管，PTC电阻，以及多种分立式元器件组合设计等几种方案。其中TVS管被放置于被保护负载的输入电源正负极之间，当输入电压瞬间高于TVS的反向击穿电压后钳位输入电压，吸收输入电源的尖峰能量避免更高的电压损坏被保护的负载。但是TVS管反向击穿后电流很大，可能导致设备电源超载，造成设备电源短路保护，另外TVS无法实现大容量储能电容的充电引起的浪涌电流抑制；PTC电阻被串接在输入电源和被保护负载之间，当电流过大时，PTC电阻发热使得阻值增大，从而减小电流，但是PTC电阻反应速度慢(秒级)，对热插拔的浪涌电流的抑制能力有限；多种分立式元器件组合设计方案，一般使用TVS管和PCT电阻，配合控制电源线串接MOS管通
断延时来消除热插拔时电源振荡，但是这种方案没有能解决TVS管和PCT电阻等分立器件的缺点，也一般不具备热插拔芯片的上、下电使能等功能。

技术实现思路

[0007]针对上述分立式元器件实现电源热插拔功能存在的缺陷，本专利技术提供一种应用于直流电源的热插拔保护电路，以解决上述技术问题。
[0008]本专利技术公开了一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；
[0009]所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；
[0010]所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；
[0011]所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；
[0012]所述使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。
[0013]进一步地，所述过压保护单元的内部通过串联连接的电阻R7和稳压二极管D2产生过压保护信号，进而控制PMOSFET断开板卡电源正极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；
[0014]所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D2、PMOS管Q5、电阻R7、R11、R12和NMOS管Q6；
[0015]电阻R7的一端连接电源正极，电阻R7的另一端分别连接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，稳压二极管D2的正极连接电源负极，PMOS管Q5的源极连接电源正极，PMOS管Q5的漏极连接串联连接的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。
[0016]进一步地，所述过流保护单元由三个通用放大器组成的仪用放大电路和一个漏极开路输出电路实现，仪用放大电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p
‑
Vsense_n，输出为Vo＝A
×
Vsense＝A
×
Rs
×
I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定电压阈值，即I大于设定阈值时，将快速关闭PMOSFET，从而切断板卡电源正极；其中，Vsense_p为采样电阻RS的高电压端的电压值，Vsense_n为采样电阻RS的低电压端的电压值，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；Vsense是过流保护单元的输入信号；
[0017]所述过流保护单元包括电阻R13、R14、R16、R19、R21，通用运算放大器U1～U3，NMOS管Q7；
[0018]采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，电阻R16和电阻R13的公共端连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，电阻R19和R21的公共端连接仪用放大电路的负极输入端；仪用放大电路的输出端经过电阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。
[0019]进一步地，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路，用于在板卡插入设备过程
中控制电源正极的PMOSFET短时间内断开，再缓慢开启PMOSFET；
[0020]当仅需使能关断信号或过压保护信号或过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭PMOSFET，切断板卡电源正极；
[0021]MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5、R10，PMOS管Q4，电容C1；
[0022]电阻R5的一端作为MOSFET控制单元的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，包括过压保护单元、使能控制单元、过流保护单元、MOSFET控制单元、以及串联在电源正极的PMOSFET和采样电阻RS；所述采样电阻RS的两端分别与所述过流保护单元的输入端连接；所述过流保护单元用于在其输入电流大于设定的电流阈值时，通过所述MOSFET控制单元关闭PMOSFET，以切断板卡电源正极；所述过压保护单元用于其输入电压大于设定阈值时，控制PMOSFET断开板卡电源正极，实现过压保护；所述使能控制单元用于实现PMOSFET的正逻辑控制，当信号EN为高电平或者悬空时，MOSFET控制单元开启PMOSFET接通板卡电源正极；当信号EN为低电平时，MOSFET控制单元关闭PMOSFET断开板卡电源正极。2.根据权利要求1所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元的内部通过串联连接的电阻R7和稳压二极管D2产生过压保护信号，进而控制PMOSFET断开板卡电源正极实现过压保护，更换不同反向击穿电压的稳压二极管能够实现过压保护的阈值的调整；所述过压保护单元还包括：电容C4、稳压二极管D2、PMOS管Q5、电阻R7、R11、R12和NMOS管Q6；电阻R7的一端连接电源正极，电阻R7的另一端分别连接稳压二极管D2的正极和PMOS管Q5的栅极，稳压二极管D2的正极连接电源负极，PMOS管Q5的源极连接电源正极，PMOS管Q5的漏极连接串联连接的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接漏极开路输出NMOS管Q6的栅极。3.根据权利要求2所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过流保护单元由三个通用放大器组成的仪用放大电路和一个漏极开路输出电路实现，仪用放大电路的差分输入为采样电阻RS的两端电压Vsense＝Vsense_p
‑
Vsense_n，输出为Vo＝A
×
Vsense＝A
×
Rs
×
I，当Vo大于漏极开路输出电路的设定电压阈值，即I大于设定阈值时，将快速关闭PMOSFET，从而切断板卡电源正极；其中，Vsense_p为采样电阻RS的高电压端的电压值，Vsense_n为采样电阻RS的低电压端的电压值，A为仪用放大电路的放电倍数，I为流过RS的电流值；Vsense是过流保护单元的输入信号；所述过流保护单元包括电阻R13、R14、R16、R19、R21，通用运算放大器U1～U3，NMOS管Q7；采样电阻RS的高电压端Vsense_p连接电阻R16和R13，电阻R16和电阻R13的公共端连接通用运算放大器U1～U3构成的仪用放大电路的正极输入端；采样电阻RS的低电压端Vsense_n连接电阻R19和R21，电阻R19和R21的公共端连接仪用放大电路的负极输入端；仪用放大电路的输出端经过电阻R14连接漏极开路输出NMOS管Q7的栅极。4.根据权利要求3所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述MOSFET控制单元的内部的RC延迟电路，用于在板卡插入设备过程中控制电源正极的PMOSFET短时间内断开，再缓慢开启PMOSFET；当仅需使能关断信号或过压保护信号或过流保护信号有效时，所述MOSFET控制单元的内部的电容放电回路用于快速将电容的电荷释放，从而快速关闭PMOSFET，切断板卡电源正极；
MOSFET控制单元包括电阻R3、R4、R5、R10，PMOS管Q4，电容C1；电阻R5的一端作为MOSFET控制单元的输入端，该输入端连接NMOS管Q3、Q6、Q7的漏极开路输出电路的线与信号线，其通过电阻R5和R3连接电源正极，电阻R5和R3的公共端连接PMOS管Q4的栅极，PMOS管Q4的源极通过电阻R4连接电源正极，PMOS管Q4的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电容C1和电阻R10的公共端，该公共端同时连接电源正极开关Q1的栅极，电源正极开关Q1的源极连接采样电阻RS的低电压端，电源正极开关Q1的漏极连接负载正极，稳压二极管D1与电源正极开关Q1的源极和栅极并联；所述使能控制单元包括电阻R1、R2、R6、R8、R9，NMOS管Q2和Q3；电阻R1和R8串联连接在电源正极与负极之间，电阻R1和R8的公共端连接NMOS管Q2的栅极，EN信号通过电阻R6连接NMOS管Q2的栅极，NMOS管Q2的源极连接电源负极，NMOS管Q2的漏极连接串联连接在电源正极和负极之间的电阻R2和R9的公共端，电阻R2和R9的公共端还连接漏极开路输出NMOS管Q3的栅极。5.根据权利要求1所述的应用于直流电源的热插拔保护电路，其特征在于，所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输出端均与所述MOSFET控制单元的输入端连接，所述MOSFET控制单元的输出端与PMOSFET的栅极连接；所述过压保护单元、所述使能控制单元、所述过流保护单元的输入端均与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端与电源正极连接，采样电阻RS的高电压端和低电压端均与过流保护单元的输入端连接；所述使能控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈起传，曾建，肖飞，朱昌伟，
申请(专利权)人：电信科学技术第五研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：