Большинство критически важных систем должны быть спроектированы с расчетом на практически нулевое время простоя в течение всего срока их службы. Поэтому, если какой-либо компонент такой системы выходит из строя или требует обновления, он должен быть заменен без прерывания работы остальной части системы. В этом случае необходимо извлечь плату или модуль и вставить замену, при этом система должна оставаться в рабочем состоянии (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | При горячей замене схема извлекается, а на ее место вставляется замена. |
Этот процесс известен как горячая замена (горячее подключение).
Контроллер горячей замены – это специализированное устройство или интегральная схема, которая управляет установкой и извлечением печатных плат (или компонентов) из работающей системы, не прерывая ее работу и не вызывая повреждений.
По сути, схема контроллера горячей замены, подключенная между входной шиной питания платы и остальными схемами платы, представляет собой ограничитель бросков тока, который позволяет заряжать большую емкость нагрузки контролируемым образом. Кроме того, схема контроллера горячей замены защищает от некоторых неисправностей, таких как перегрузка по току и перенапряжение.
Вот как выглядит типовая реализация контроллера горячей замены (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Вот более подробный взгляд на схему, построенную на основе контроллера горячей замены. |
Когда плата подключается к шине, конденсатор CBULK будет заряжаться большим пусковым током, если контроллер горячей замены отсутствует. При наличии контроллера горячей замены величина пускового тока определяется по падению напряжения на токоизмерительном резисторе RSENSE, которое затем используется для ограничения тока. Вывод обратной связи Fb используется для обнаружения чрезмерного повышения и понижения выходного напряжения. Важнейшим компонентом в этой схеме является силовой MOSFET.
В данной схеме для приложений горячей замены непрерывный контроль и ограничение тока обеспечиваются использованием обычного p-n-p транзистора TR1 и токоизмерительного резистора R1 (Рисунок 3). При подаче питания ток протекает через резистор R1 и транзистор TR2 в НАГРУЗКУ. Ток через R1 создает напряжение смещения база-эмиттер транзистора TR1. Если ток достаточно велик, чтобы сместить транзистор TR1, то TR1, уменьшая напряжение затвор-исток MOSFET TR2, ограничивает ток, идущий через MOSFET к НАГРУЗКЕ.
 |
|
| Рисунок 3. | Вот как выглядит типичная топология дискретной схемы горячей замены. |
Самая большая проблема, с которой сталкивается любой проект с контроллером горячей замены, – это правильный выбор MOSFET, используемого в качестве проходного элемента. Это связано с тем, что при зарядке большой емкости MOSFET будет находиться в линейной области, что грозит отказом из-за быстрого джоулева нагрева.
Это означает, что во время фазы предварительной зарядки MOSFET работает в линейном режиме с большим напряжением на нем до тех пор, пока не закончится зарядка конденсатора (емкости нагрузки), после чего MOSFET откроется полностью и будет работать с заявленным сопротивлением открытого канала RDS-ON. Таким образом, вся энергия предварительной зарядки рассеивается в MOSFET, и он испытывает сильную перегрузку. Обратите внимание, что способность выдерживать зарядный ток связана с областью безопасной работы MOSFET, а эта область зависит от размеров кристалла и корпуса.
Примечательно, что при небольших размерах схема горячей замены на основе микросхемы обеспечивает множество функций, а самой микросхеме требуется лишь несколько внешних компонентов. На Рисунке 4, например, показана упрощенная схема применения контроллера горячей замены RT1720 с таймером отказов.
 |
|
| Рисунок 4. | Приложение построено на основе контроллера горячей замены RT1720. |
Для некоторых небольших экспериментов, связанных с этой статьей, я наугад выбрал микросхему контроллера горячей замены AP2337.
AP2337 – это одноканальный интегральный силовой коммутатор верхнего плеча с функцией ограничения тока, оптимизированный для приложений горячей замены. Устройство, выпускаемое в корпусе SOT23, обеспечивает блокировку обратного тока, защиту от перегрузки, перегрева и короткого замыкания, а также контролируемое время нарастания и функцию блокировки при пониженном напряжении.
Схема применения AP2337 показана на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | AP2337 обеспечивает быстрое время реакции на короткое замыкание, что повышает общую надежность системы. |
Поскольку это был всего лишь небольшой эксперимент, и я управлял простой тестовой нагрузкой, я намеренно пошел на некоторые врéменные упрощения.
Подводя итог, можно сказать, что горячая замена, как минимум, требует ограничения пускового тока, чтобы предотвратить возможность отключения всей системы при подаче питания на большую емкостную нагрузку. Контроллер горячей замены является главным элементом критически важной системы управления, где требуется непрерывная работа, позволяющая заменять неисправные модули и/или компоненты без прерывания работы системы.
Купить AP2337 на РадиоЛоцман.Цены
