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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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。
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| 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)：
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| 圖6 ADM1278的電路簡圖 |
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| 圖7 熱插拔電路布局重點 |
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。
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| 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)。
未來的設計概念應著眼於增強晶片的散熱能力以及降低內建MOSFET的RDS,on，以達到更高的電流控制功能，並減少並聯MOSFET所產生的控制不平衡以及電路板布局空間的浪費。
熱插拔方案重要性日增
雲端科技及物聯網概念仍將在往後的10年繼續前進，熱插拔電路具重覆使用性及低故障率等優點，其取代傳統的保險絲在通訊雲端及終端設備是必然的趨勢。相信在研發的過程中，會有更多的晶片產出以保障電子設備的安全性。
(本文作者為安富利台灣分公司應用工程經理)