热插拔的工作原理
热插拔（Hot Swap、Hot Plug、Hot Dock）是指在系统导电的工作状态下，将模组、卡或连接器插到系统上而不影响系统的操作。
图1所示为热插拔过程，其中左边代表系统及其供电，在供电的输出端有一个电容，右侧有两张卡，这些卡的输入端也有电容。把卡插入系统之前，输入电容没有被充电；当把卡插入系统时会有一个很大的瞬间电流向输入电容充电，这么大的瞬时电流很可能造成系统供电电压不正常。
热插拔的目的是将高的瞬间电流控制在一个比较低而且合理的水平。其实现方法有几种，其中使用PTC（正温度系数的热敏电阻），是最简单的方法。PTC依靠本身的电流发热改变阻抗，从而降低瞬间电流的幅度，其缺点是反应速度慢，而且长时间使用会影响使用寿命。MOS管电流检测电阻加上一些简单的电阻电容延迟线路的方法成本低，比较适于低端用途。最好的方法是采用热插拔芯片，通常该芯片包含一个驱动MOS设计和电流检测电阻，它除了做基本热插拔之外，还可以提供特殊功能，如控制电流上升速率、做断电器、电源管理以及状态报告等，能够提升系统的工作状态。
热插拔的实现如图2所示，是通过在供电与负载之间串联一个MOS管和一个电流检测电阻完成的。电流检测电阻的目的是将流过MOS管的信号传给控制线路，控制线路再根据电流设定和计时电路来控制MOS管的导通。


接下来以UCC3915为例说明热插拔过程中输出电流电压的情况。图3中，左边图形是UCC3915的输出电流、输出电压、即时电容电压的波形，可以看到当输出电流上升到ITRIP时，计时电容开始充电，电压上升，开始计时；如果输出电流超过ITRIP并一直上升到IMAX（设定的最大值），由于此时MOS管工作在线性模式，将最大输出电流限制在这一水平而不让输出电流上升，因此输出电流就会被限制在IMAX。另一方面，如果计时电容电压达到1.5V，MOS管就会断开，输出电流下降到0。MOS管断开之后电容会被放电，直到下降到0.5V，然后MOS管重新启动，此时电流开始上升。如果输出电流还很高，则会将输出电流限制在IMAX，经过计时后电路又会将MOS管切断，电路将按照这一原理一直工作。右图中有两组电压和电流的波形，其中一组是没有热插拔的电压电流波形，另外一组是加入了热插拔的电压电流波形。没有加入热插拔功能的时候，瞬间电流幅度很大，高的瞬间电流幅度造成了系统电压大约1V的下降幅度；当加入了热插拔，这一瞬间电流被限制在一个较低的水平，对系统电压影响较小，从而达到热插拔的目的。
系统中加入热插拔的好处包括：
1）在系统开机情况下将损坏的模块移除，还可以在开机情况下做更新或扩充动作而不影响系统操作；
2）由于热插拔零件的可靠度提升，还可以将它们用做断电器，而且因为热插拔能够自动恢复，有很多热插拔芯片为系统提供线路供电情况的信号，以便系统做故障分析，因此减少了成本。
热插拔非常适合用于高可靠度的系统，如通信电源系统、伺服器电源系统等，也可以用于储存设备的电源供应，因此这些设备需要在系统不断电的情况下更换储存设备或更新。热插拔也适合于体积较小但可靠度要求很高的电源系统，包括一些主要的规范，如PCI、PCIe、USB、1394等，因此应用相当广泛。
TI的热插拔管理芯片
在选择热插拔芯片时，需要考虑的内容有：
1）热插拔管理芯片的工作电压范围为48V、-48V或低电压12V以内以及电流的限制；
2）保护的模式，可以选择自动恢复或者锁死保护模式；
3）计时电路，做断电器的功能；
4）其他工作状态时的性能，如负载短路时需要高速响应，负载增加时不损坏周边器件。热插拔启动的瞬间，电流上升速率能够被控制，从而减少噪音和冲击水平；
5）MOS管或电流检测电阻功耗等。
TI推出了很多热插拔产品，并且多个产品中加入了特殊功能以提升热插拔的工作功率，这能够使热插拔MOS管工作在安全区，从而提高产品可靠度、降低成本。另外一个功能就是di/dt（电流上升的速率），这能够减少噪音和对电路零件的冲击。TI的热插拔产品主要分为两类：高压热插拔产品，针对48V、-48V或24V应用；低压热插拔产品，针对3V到15V的应用。
对于高压热插拔产品，又可以分为两类：+48V产品和?48V产品，如图4所示。48V的产品有TPS2490和2491，这个产品的工作电压从9V到80V，含有一个独特的功能叫做定功率的设定。?48V的热插拔控制芯片，包括TPS2390、2391、2398和99，这个系列针对简单的热插拔的应用，工作电压从?36到?80V，是8只脚的封装。第二个?48V的热插拔是TPS2392和TPS2393，是属于全功能?48V的热插拔产品，除了拥有TPS2390系列的所有功能之外，也含有欠压和过压的设定，提供两只脚做连接器的检测。


其中，定功率是TI的一项独特的技术，图5将定功率限制和一般的线性电流仿真电路作比较，左边的图为一般线性电流仿真电路曲线，MOS管的电流和VDS呈线性关系；右边的图为定功率曲线，从图中公式可以看到电流与VDS呈非线性。
当负载增加，如果没有定功率限制，图6中左上端的输出电流上升很快，输出电压降低，流过MOS管的功率很可能漂出SOR之外；如果加入了定功率限制功能，左下端的电压电流波形中电流上升很快，向输入电容充电之后下降很快，而且同时保持MOS管工作点一直在SOR之内。因此只要将定功率限制设定好，就可以不考虑负载的变化，节约了MOS管成本。


负载短路时，如果没有定功率限制，电流将会上冲并超过70A，15微秒后才能恢复到所设定的最大电流5A，这样大的电流幅度很可能损坏线路周边零件；加入功率限制功能后，电流上升幅度较小，只有20A，只要经过1微秒即可降到所设定的最大电流5A，而对于1微秒、20A的脉冲，MOS管完全工作在安全工作区之内。
对于-48V的一些热插拔产品，有TPS2390、2391、2398、2399，这些芯片都只有8脚，工作电压由-36到-80V，从应用线路看它们的应用很简单，基本上只要考虑最大电流设定，然后是计时电路和TI独特的设计功能叫做电流上升的速率。在TI的控制芯片中，很多的热插拔产品都会有一个叫做RAMP的引脚作电流上升速率的设定，通常通过一个电容来设定电流上升的斜率。
很多控制器的设计都是采用电压上升斜率控制，当热插拔控制器启动的时候，输出电压慢慢上升，但是输出电流上升的很快，而且输出电流上升的幅度根据不同的电容负载而不同，如果负载电容比较大，电流脉冲幅度相对很大，如此大的脉冲电流也会影响系统的正常操作。TPS239X系列采用电流上升斜率的导通方法，在启动的时候，输出电流的上升斜率可以依靠RAMP电容设定，RAMP电容越大，上升的斜率越慢，从而减少了系统噪音和冲击的影响。
TI的低电压热插拔产品分为两类：MOS管内置的产品和MOS外置的产品，如图7所示。MOS管内置的产品包含UCC3912、UCC3915、UCC3918和TPS2420/21等，这些产品的最大允许流过电流是5安培，工作电压由接近0V到12V，MOS外置的热插拔控制芯片有单路和双路控制芯片，两种单路的控制芯片有TPS2330和TPS2331，双路有TPS2300系列。
热插拔可以应用于很多场合，图8列出了不同设计应用所搭配的热插拔产品，可以根据该表选择适合的热插拔器件。


问答选编
问：MOS管有两种，一种是NPN，另一种是PNP，两种都可以用吗？
答：MOS管分为N沟道和P沟道两种，在热插拔产品通常采用N沟道的MOSFET。P沟道要采用负压控制，在这里是完全不必要使用P沟道的MOSFET。
问：MSOP封装的引脚间距很小，外部高电压会不会影响到可靠性？
答：封装完全可以保证芯片正常工作的需要，如果电压足够高，Layout要做好隔离和EMI的控制。
问：TI的热插拨产品会不会对CPU产生干扰
答：热插拔不会对CPU产生干扰，反而会增加系统的稳定性和可靠性。
问：TI热插拨产品的选型除了额定电压和额定电流外还有什么要特别注意的？
答：需要注意的是选用什么样的工作模式：Latchoff或者Autoretry，是不是需要功率限制功能来保护MOSFET。
问：高可靠性电源系统的热插拔系统是如何稳压的？
答：通过限制电流过快上升，使电流较平稳地过渡到稳定值，达到输出电压逐渐稳定。
问：TI的热插拔和用分立元件（自恢复保险丝，TVS管的区别在哪里？有什么优缺点？
答：自恢复保险丝只是起到熔断的作用，响应速度较慢，功耗较大，不适合用于具有热插拔功能的产品。TVS只是起到过压保护的作用。这两种产品会用在一般的产品中，成本低但性能很差。TI的热插拔电源管理IC不仅可以起到保护的作用，而且反应速度快，还可以提高系统的可靠性。
问：如果系统突然断电和恢复，对热插拔电路是否有影响？是否会损坏负载电路？
答：不会有影响，也不会损坏负载。热插拔电源管理IC也会起到保护的作用。
问：电源的热插拔和USB等设备的即插即用有什么区别吗？
答：热插拔电源管理器件与USB或即插即用设备的电源限流很相似。即插即用的设备使用热插拔电源管理器件，必须有支持即插即用的系统和驱动作支持。
问：双路热插拔芯片中的两路分别完成什么功能？
答：双路热插拔是考虑负载需要接入系统的电源不同，例如一路需要+5V，而另一路需要+12V，这样就有必要将两路分开单独控制。
问：使用热插拔芯片进行设计需要注意些什么？
答：主要考虑应用环境和需要的功能。例如，如果用于工业，需选用工业级的产品以及工作电压范围；是选用闭锁模式还是自动重试模式；是不是需要最大功率控制等额外的功能。
问：热插拔电路板插座上是否有引脚长短的区别？
答：如果您设计的产品必须符合相关协议、规范以及规定，如果相关内容对接口机械参数或者电气参数有要求，引脚会有所区别，例如长短和排序等。
问：热插拔电路对电压和电流的大小有什么限制？
答：热插拔电源管理IC本身有正常的工作电压范围，可以设定最大限制电流或者Fault电流。电压和电流不能超过规定的范围。
问：热插拔电源如何实现对电流的控制？
答：通过采样RSENSE获取电流值信息，如果电流超过最大设定值或者最大限制值时，热插拔电源管理IC进入Latchoff或者Autoretry状态，控制MOSFET导通的时间，前者MOSFET断开，后者MOSFET间隔一定时间后导通或断开，这样可以保证不会出现浪涌电流，实现负载电流慢慢上升的过程。
问：如何避免电流过大引起的故障？
答：热插拔电源管理IC可以限制最大电流，正确设置RSENSE的值就可以得到合适的允许最大电流，超过最大电流的限制时热插拔电源管理IC即可进入保护状态。
问：热切换功能的优点有哪些？
答：热插拔功能一方面起到保护负载的作用，另一方面提高了系统的稳定性。系统在线时接入新的负载，负载会产生浪涌电流，热插拔限制和抑制浪涌电流产生，保护了负载。另外接入新的负载时不会使输入电压骤降造成系统其它工作失常或者复位，提高系统稳定性和可靠性。
问：如果电流上升斜率太小，会不会导致无法满足电路模块间所必需的上电顺序？
答：会对上电顺序造成一定影响，此时需要根据负载设定合理的定时电容的值。
问：选择热插拔产品需要注意哪些规格？
答：主要考虑使用的温度范围、使用电压范围（比如高压应用还是低压应用）、操作的类型（比如是切断类型还是自动重试类型），以及电流限制、平均功率控制等其它功能的选用。因为器件型号不同，对应的功能也不大相同。
问：一般工业控制在什么地方需要使用热插拔？工控与计算机的热插拔概念有无不同？
答：热插拔便于调试维修和替换，对于某些工业控制，需要系统不间断控制，此时必须使用支持热插拔的设备和负载。平时计算机所说的热插拔大都是指支持热插拔的设备，我们在这里讲的是热插拔电源管理器件。
问：在负载短路情况下，热插拔上冲电流是否能够限制？如何实现？
答：当负载短路时，由于负载电容变小，电流并不会出现较大过冲。如果电流明显超过IMAX或者ILIM，MOSFET会及时切断。
问：在开关电源中，有没有关于MOSFET选择的标准？
答：开关电源选用MOSFET优先考虑功耗的问题。除了最大耐压、最大电流能力及导通电阻外，尚有其它在实际应用时需要注意的参数，如传导、栅极电荷、崩溃、温度的影响。
问：在热拔插电源方案中，在负载断开时会产生尖端放电吗？如果有，如何避免？
答：热插拔电源管理是针对负载接入热系统的过程中负载出现浪涌电流、系统电源急剧下降以及其它可靠性问题的解决方案。若存在感性和容性负载，即使不是热插拔设备也会有放电现象，可以考虑设计泄放回路。
问：在冗余电源系统中，除可以使用隔离二极管来降低单点故障，是否还有其它方法来降低单点故障？
答：TI推出了Oring和N+1的产品，这些产品和FET组和替代了二极管，具有更好的性能。首先，FET功耗很小，远远低于二极管；其次，设计更加有弹性，FET可任意关闭和打开，这是二极管所不具有的特性；另外保护功能更强，FET关闭时间比二极管快，可双向阻断故障电压转换器。
问：在实际应用中，热插拔技术在确保系统稳定性上都采取了哪些措施？
答：部分热插拔电源管理产品产品设计有欠压保护、精确的最大电流限制、可编程的平均功率限制、可编程过流限制、错误指示等功能。这些功能保证了系统稳定性。
问：怎样保证不把噪声误判为过压或者欠压？
答：如果噪声引起的电压低于器件本身正常工作电压，欠压保护会起作用，过压超过器件本身的最大承受电压，就会对器件产生破坏。所以这两种保护都可以保证器件的正常使用和安全，主要解决点还是限制或者抑制噪声的出现，例如增加去耦电容等。
问：电源的热插拔会不会对后面的系统造成损害？比如笔记本电源突然断电，会直接造成对主板的冲击，这个是如何考虑的？
答：电源热插拔不会对系统造成危害，热插拔电源管理器件有效保护负载，防止过大的冲击电流，另一方面使系统电源正常供电，避免接入负载出现过大的电压降。电源突然断电不会对主板造成很大的伤害，原因是内部设有保护电路和泄放回路。