（微电子学与固体电子学专业论文）一种低压热插拔控制芯片的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电子技术的不断发展导致即插即用概念日益普及，即插即用设备的应用b 趋广 泛，市场对热插拔控制芯片的需求越来越大，此类芯片的研究开发已引起业界的广泛 关注。然而，目前此类芯片的核心技术由少数国外大公司所掌握。因此，对热插拔控 制芯片的研究开发具有非常重要的意义。 本文论述了一种低压热插拔控制芯片的设计，论文在分析了解当前热插拔技术的 发展现状与趋势的基础上，对低压熟插拔控制技术作了详细的介绍。基于这技术， 论文详细论述了此低压热插拔控制芯片的系统和功能模块设计。芯片中整合了电荷泵 升压技术和精确定时技术，并且设计了浪涌电流和电压监控以及欠压闭锁功能。考虑 到此类芯片要求数模混合及高低压兼容特点。芯片设计采用了德国x f a b 公司的高压 b i c m o s 工艺，在电路设计和版图如实现中充分考虑各种因素的影响，从整体到模块 的设计，处处体现了电路与工艺的结合。对应于每一项技术和功能，文中也介绍了各 个功能模块的结构和工作原理。 通过对各模块和整体电路功能进行了s p c c t r e 仿真，验证了设计的可行性。所设 计的版图通过d r c 、e r c 和l v s 验证，并交付f o u n d r y 流片。通过对样片全面的测 试，证明所设计电路的性能指标已达到设计要求，具有一定的先进性和实用性。其特 点是稳定性好、可靠性高，工艺性好，能够在较大范围的电源电压和环境温度内正常 工作。此芯片性能优秀，可完全替代国外同类产品。 关键词：热插拔控制电荷泵浪涌电流 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e m a n d sf o rs i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t so f e l e c t r o nt e c h n o l o g yh a v eg o tm o r ea n dm o r c a p p l i c a t i o n si nh o ts w a pt e c h n o l o g y , a n di t sm a r k e td e v e l o p sv e r yf a s t ，w h i c hp r o d u c e s l a r g ed e m a n d so f h o t - s w a pc o n t r o l l e ri c s h o w e v e r , a l m o s ta l lo f t h ep r o d u c t sa r eh e l db y f o r e i g ni cc o m p a n i e s i ti so fi m p o r t a n c ef o rt l st od e v e l o ph o t - s w a pc o n t r o l l e ri t sw i 也 o u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i nt h i sp a p t h ed e s i g no f al o wv o l t a g eh o t - s w a pc o n t r o | l e rc i r c u i ti sp r e s e n t e d t h e p a p e r 季v ea d e t a i l e da c c o u n to f l o wv o l t a g eh o ts w a pc o n t r o l l e rb a s e d0 na n a l y s i so f t h e d e v e l o p m e n to ft h eh o ts w a pt e c h n i q u e t h ee m p h a s e so ft h i st e c h n o l o g yi sm a k i n g f u n e d o n so f t h eh o t - s w a pc o n t r o l l e ra l l o w sab o a r dt ob es a f e l yi n s e r t e da n dr e m o v e df o r m al i v eb a c k p l a n e u s i n ga n & z t 日l l a ln - c h a n n e lp a s st r a n s i s t o r , t h eb o a r ds u p p l yv o l t a g ec a n b er a m p e du pa tap r o g r a m m a b l er a t e c h a r g ep u m pc i r c u i t s , t h ea c c u r a t et i m e r , u n d e r v o l t a g el o c k o u tc i r c u i t s ，c h a n g i n gt e r m i n a t e dc i r c u i ta n dr e c h a r g i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e dt o m a k es u r eas a f eh o ts w a pp r o c e s s ，a si ti sa t y p i c a la n a l o ga n dm i x e ds i g n a li c ，t h es p e c i a l p r o c e s s , x f a b sh i g hv o l t a g eb i c m o sp r o c e s s , w a si n t r o d u c e dt h a tw a se s p e c i a l l y s u i t a b l ef o ro f t h ec h i p sw o r k i n gu n d e rh i g hv o l t a g ea n d ；l a r g ec u r r a n tc o n d i t i o n t h ei c w a sa c c o m p l i s h e db a s e do nt h i sp r o c e s sa n dm a n yi n n u e n c e sw e r ec o n s i d e r e di nt h ef l o o r p l a na n dl a y o u td e s i g n i t sl a y o u ti ss i g n e do f f t ot h ef o u n d r yt ob et a p e d - o u ta n dt e s t e d t h es i m u l a t i o na n dt e s t e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i tm e tt h e s e c t i o n ss u c c e s s f u l l y i th a sh i g hs t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t ya n dc a l lw o r kp r o p e r l y a n de f f i c i e n t l yi naw i d er a g eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n ds u p p l yv o l t a g ev a r i a t i o n t h e b e h a v i o ro ft h ei ci se x c e l l e n ta n dc a nb er a n k e db e s i d et h eb e s to ft h e i rk i n di nf o r e i g n c o u n l a - y k e y w o r d s ：h o t - s w a pc o n t r o l l e rc h a r g ep u m ph u g ei r a n s i e n tc u r r e n t u 独创性声明 本人声咀所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：至 ) 弘 日期：1 神f 年r 月f o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密i ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名 纠旅 日期：v 聃侔f 月，o 日 指导教师签名 日期：嘭年r 月，d 日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 随着电子技术的发展，电子系统逐渐实现功能多样化、模块化。许多电子系统， 尤其是大型电子系统，集成了越来越多的功能模块，其实现的功能也越来越复杂，在 现代企业运作和人们生活中发挥着越来越重要的作用。此时，对于这些电子系统的可 靠性、可用性就已经从一个技术实现问题升级成一个企业和人们生活可运作问题了。 保障和维护电子系统正常运作已经成为人们关注的重点。即插即用设备的出现，成为 解决这一大难点的希望【l 】。 即插即用设备最先应用在电信网络设备中。在大量应用了即插即用设备的电信网 络中，当某模块出现故障，只需对故障模块进行热插拔处理，而不影响整体网络的运 作。人们不必担心打不通电话，而影响了日常工作和生活。此类设备的出现大大方便 了电信网络的维护，提高了生活和工作效率。 目前，许多公司( t i 、a d i 、m a x i m 、l i n e a r 、c 咖s s ) 都推出了针对不同 用途的热插拔控制器和支持热插拔的各类控制、接口芯片。至今这些控制器和芯片成 功地在计算机板卡、磁盘冗余阵列、计算机外设测试台、限流器、网络路由器、远程 介入服务器、网络交换器、i s d n 等中得到了广泛的应用。目前的热插拔设备售价较 高，不易推广普及。因此可以认为；根据我国电子信息产业发展和市场的需要，研究 开发超大规模集成电路设计业所需的、具有良好应用前景的热插拔控制芯片，对于促 进我国集成电路产业的发展，具有十分重要的现实意义f 2 】。 1 1 国内外相关技术的背景 热插拔控制技术是近几年的新兴技术，它成功地限制了板卡、外设从带电主板插 入、拔出时产生的瞬间大电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、主板电源跌落等问题， 为板卡、外设的热插拔应用提供了有效的控制和保护方案。并且允许用户在无需关掉 主系统或者暂停主系统运作的同时在线升级、更改、添加功能模块。目前的热插拔技 华中科技大学硕士学位论文 术已经可以支持电源、扩展板硬盘的热插拔，尤其是服务器中更为关键的c p u 和内存 的热插拔技术也日渐成熟，未来热插拔技术的发展会促使各种电子系统朝着模块化的 方向发展，大量的部件都是可以通过热插拔的方式进行在线更换。 本文关注的重点与上述的热插拔技术略有不同，主要考虑的是热插拔保护技术， 也就是利用热插拔控制芯片来实现对器件、带电主板的保护。 热插拔控制芯片实质上是电源管理芯片的一种。所谓电源就是利用电能转换技术 将市电或电池等一次电能转换成适合各种电对象的二次电能的系统或装置。只要用电 就离不开电源。从文化娱乐、照明、办公，到医疗卫生、通讯、航空航天、海洋资源 利用等现代生活的各个方面，我们都需要高性能、高智能化的电源。 诞生于2 0 世纪6 0 年代的电力电子技术使电源技术在近4 0 年来得到了长足的发展， 特别是随着微电子技术的发展，电力电子学在近年来更是突飞猛进，已经发展成为相 对独立的学科门类。 电力电子技术的发展，使得直流开关技术广泛应用于计算机、邮电通讯、电力系 统、宇宙探索等领域。众所周知，笨重、低效、可靠性差的电源装置已经被体积小、 重量轻的高效电源所取代。而由微电子技术所实现的脉冲宽度调制( p w m ) 变换器、 脉冲频率调制( p f m ) 变换器等则是现代高效、智能化电源的基础和核心。将微电子 技术同电力电子技术结合则是所谓的智能电源技术，它无疑会对电源技术带来一场革 命。而热插拔控制芯片则在电子系统在现代企业中广泛应用的背景下，其作用越来越 受到人们的重视。 总之，热插拔控制芯片是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它既推动了 电力电子技术的发展，更是电子系统模块化、智能化所必需的技术【】。 1 2 目前热插拔控制芯片的市场背景和分类 1 2 1 热插拔控制芯片的市场 在硬件市场各家公司的竞争中可以看出包括热插拔在内的新技术对于提高产 2 华中科技大学硕士学位论文 品竞争力具有不可忽视的作用。以主板为例，进入2 0 0 4 年，随着p r e s c o t t 核心的p 4 处理器的闪亮登场并逐渐成为主流，主板市场上也开始酝酿新一轮的变革。 目前，许多公司( t i 、a d i 、m a x i m 、l i n e a r 、c y p r e s s ) 都推出了针对不同 用途的热插拔控制器和支持热插拔的各类控制、接口芯片。至今这些控制其和芯片成 功地在计算机板卡、磁盘冗余阵列、计算机外设测试台、限流器、网络路由器、远程 介入服务器、网络交换器、i s d n 等中得到了广泛的应用。 然而，目前此类芯片的核心技术由少数国外大公司所掌握。此类芯片的市场也完 全由这些国外大公司所垄断。 同时，随着微电子技术的不断发展，电子系统逐渐实现功能多样化、模块化。许 多电子系统，尤其是大型电子系统，集成了越来越多的功能模块，其实现的功能越来 越复杂，在现代企业运作和人们生活中发挥着越来越重要的作用。此时，对于这些电 子系统的可靠性、可用性就已经从一个技术实现问题升级成一个企业或人们生活可运 作问题了。保障和维护电子系统正常运作已经成为人们关注的重点。热插拔控制芯片 的出现，为解决这些问题提供了一个契机。 热插拔控制芯片的研究与开发方兴未艾，热插拔控制芯片的市场将越来越大。由 于目前的热插拔设备售价较高，不易推广普及。因此可以认为，根据我国电子信息产 业发展和市场的需要，研究开发超大规模集成电路设计业所需的、具有良好应用前景 的热插拔控制芯片，对于促进我国集成电路产业的发展，具有十分重要的现实意义【卿。 1 2 2 热插拔控制芯片的分类 当前市场上的热插拔控制芯片主要分为以下几个大类。 ( 1 ) 低压热插拔控制器：这些针对1 v 至1 6 5 v 电源电压范围的控制器具有多 电平电流限制和额外的保护功能，并配备了用于在多电源应用中进行电源排序或跟踪 的电路。如l i n e a r 公司的l t c l 4 2 0 。 ( 2 ) 高压热插拔控制器：包括正电压和负电压，范围可达8 0 vn + 8 0 v 。用于高 压分布式电源系统、电源控制、限制浪涌电流、提供短路保护。如a d i 公司的 a d m l0 7 0 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) p c i 总线热插拔控制器：此类i c 用于基于p c i 总线的服务器，允许主板插 入或拔出带电p c i 总线插槽o 如m a x 公司的m a x 5 9 1 5 。 ( 4 ) 以太网供电控制器：此类i c 符合i e e e 8 0 2 3 a f 标准的检测、分级、限流和 连接检测，支持d c 或a c 连接，无需采用处理器即可自动操作，亦可通过1 2 c 总线 控制工作。如l i n e a r 公司的l t c 4 2 5 8 。 1 3 论文的目的和意义 如前所述，热插拔控制芯片的应用非常广泛，特别是网络通讯越来越发达盼今天， 它可谓无所不在，如在电信及数据通信系统中，不允许系统有长时间的停电。再则现 有的许多操作系统的重启动时间一般都比较长，因而热插拔在电信应用领域变得越来 越重要，甚至成为电信产品的一种强制性指标。同时，热插拔技术还在进一步复杂化， 应用也将不断扩展，所以对其的需求量巨大，对其研究也亟需进一步深化。 另一方面，热插拔控制芯片属于数模混合信号集成电路，而且目前有关s o c 中的 电路单元( 即i p 盒) 的研究还主要集中在数字电路领域，尤其是成熟产品中，涉及 模拟混合信号电路的相对较少。虽然近两年国内一些i c 设计公司开始涉猎模拟混合 信号电路领域，但是对于电源管理模块特别是热插拔控制器，由于还存在工艺上的限 制，很少有成功的经验，一般市场上能够见到的也都是国外几家大公司的产品。因此， 本硕士论文的工作将有助于促进国内半导体芯片的研究与发展，增强国内产品相对于 国外产品的竞争力，具有重要的现实意义。 论文的工作集中在研究开发具有良好发展及应用前景的低压热插拔控制芯片，此 芯片适用于不同场合：通信、网络等等。 1 4 论文的组织结构 第二章介绍低压热插拔控制芯片的设计思想和系统结构；详细分析了低压热插拔 控制器的工作模式。 第三章介绍低压热插拔控制电路的各个功能模块。 4 华中科技大学硕士学位论文 第四章说明了电路的仿真结果，并对结果进行了分析。 第五章为本文结论。 1 5 关于课题所作的工作 本人在攻读硕士研究生学位期间主要做了以下工作： 1 ) 收集阅读了4 0 余篇国内外关于电荷泵的资料，归类总结，了解电荷泵的基 本原理、文献中出现的各种结构以及设计的思想。更重要的是通过这个过程，掌握了 如何搜集资料，筛选整理，从中学到知识，个人的自学能力有了很大自强高。 2 ) 参与了1 2 位逐次逼近型a d c 芯片的设计开发，熟悉了芯片设计的流程，对 于电路结构的设计、仿真和版图设计都有了全面地了解，积累了一定的项目经验。 以上列举的工作为本人毕业设计课题的完成打下了良好的基础。从搜集、阅读相 关文献到参与实际的设计工作，从中学习发现问题、解决问题，提高个人的科研能力。 本毕业设计课题现已完成的工作包括工艺的调查及选择，器件的研究及选择，系 统的设计，基本模块的电路设计，模块电路和整体电路的功能仿真以及对仿真结果的 分析。 1 6 关于课题的特点和创新 本课题的目的是要最终开发设计出一块低压热插拔芯片。此低压热插拔控制芯片 适用于2 7 1 2 v 的供电场合。允许电路单板在带电的背板上安全地插入和拔出。利用 一个外部n 型沟道场效应晶体管，电路单板电压能够以一个可设置的速率上升。该热 插拔控制器具有可调节大小的限流保护功能，并且在大电容负载或者短路时，使电路 单板从背板断开。另外，它还具有欠压、过压探测，对输出电压进行监控功能。其特 点如下： ( 1 ) 允许电路单板在带电背板上安全地插入和拔出； ( 2 ) 具有可设置延迟的系统复位输出； ( 3 ) 可设置电子电路断路器( 起短路保护作用) ； 5 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 可设置电路单板电压上升的速率； ( 5 ) 具有驱动外部n 型沟道场效应管的高侧门极驱动器； ( 6 ) 具有欠压闭锁电路； ( 7 ) 具有软复位功能； ( 8 ) 系统复位弓 脚上有干扰滤波器： ( 9 ) 电路板电压控制范围为2 7 v 一1 2 v 。 这是一款数模混合信号芯片，同时也是一款高低压兼容的芯片。在电路和系统的 设计过程中，紧密结合工艺的特点，本文在以下两个方面相对于国内外相关报道而言， 具有一定的创新性。 ( 1 ) 在电荷泵系统中，提出了一种以b c 极连接的三极管作为单元级的三级电荷 泵模型。相对于大量采用的n m o s 管结构电荷泵系统，解决了由于n m o s 器件反向 电荷分享现象，以及高输出电压和体效应造成阈值电压增加带来的电荷泵的效率不高 的阎题。 ( 2 ) 在电压监控模块中，提出了一种同时实现比较、迟滞和具有不同滤波时间 的同步抗干扰电压监控电路。相对于国内外所报道的具有相同功能的电压监控电路， 结构简单，实现容易。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 热插拔控制电路系统分析 2 1 热插拔控制原理 2 1 1 热插拔控糊系统 热插拔即允许带电插拔工作单板，其最基本的目的是要求带电插拔单板而不影响 系统运行，以便维修故障板或添加功能模块；热插拔技术可以提供有技术地访问热插 拔设备，允许在不停机或很少操作人员参与的情况下，实现故障恢复和功能模块的添 加；热插拔技术可以提供高可靠性应用，系统在不间断运行的情况下自动隔离故障板。 热插拔系统的级别由低到高分为三种：基本热插拔系统，它具有基本热插拔要求的性 能；完全热插拔系统，它可以对热插拔单板进行动态配置；高可靠性系统，它利用高 可靠平台实现对硬件的更高级别的控制。 要实现热插拔需要有以下几个方面的支持：总线电气特性、主板b i o s 、操作系统 和设备驱动。只要确定环境符合以上特定的环境，就可以实现热插拔。 2 1 2 热插拔控制器 目前，半导体厂商为那些需要带电插入背板的线卡设计了众多的热插拔控制器， 当线卡插入带电背板时，由于线卡滤波电容的放电为背板电源提供了一个极低的电 阻，能够在瞬间造成背板电源的崩溃。这种崩溃是由于流入电容的电流过大造成的， 流入放电电容的电流成为浪涌电流，热插拔控制器无论是放置在背板上，还是放置在 可插拔的线卡上，都能够在线卡插入背板时限制浪涌电流，而在后续操作中为系统提 供短路保护。 h o t - s w a pc o n t r o l l e r 即热插拔控制芯片，“热插拔”是指将电路单板从加有电 源的主机( 背板、主系统) 上插入或拔出，主要应用在基站、磁盘冗余阵列、远程接 入服务器、网络路由器、网络交换器以及i s d n 等系统。当电路单板插入主机时，主 7 华中科技大学硕士学位论文 机已处于稳定工作状态，所有电容均被充满电荷，而待插入的电路单板是不带电的， 因此当电路单板与主机背板接触时，由于电路单板上的电容充电而将从主机电源吸入 较大的瞬态电流；同样，当把带电的电路单板拔出主机时，单板上旁路电容的放电在 单板与主机( 带电背板) 之间形成一条低阻通路，也将产生较大的瞬态电流。较大的 电流会导致连接器、电路元件、电路板金属连线( 迹线) 等部件或器件的损坏，也可 能使背板电源出现瞬时跌落，从而导致主系统复位。 目前，针对上述应用新推出的热插拔保护器件种类很多。本文设计的低压热插拔 控制器可为热插拔应用提供一套有效的控制和保护解决方案。它成功地限制了电路单 板从带电主板插入、拔出时产生的瞬态大电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、主板 电源跌落等问题口1 。 2 1 3 热插拔产生的问题及解决技术 热插拔定义为不关断主系统的供电而从一个正在工作的电子系统中插入或拔出 电路板卡( 即电路单板) 。这就要求这一过程对要插拔的电路板卡本身是安全的，同 时板卡的插入和拔出不能损坏正在运作的主系统的其他模块或功能的工作过程。故而 热插拔过程产生的问题可分为硬件和软件两个方面删。 硬件上的问题： ( 1 ) 系统总线。由于系统总线上的逻辑状态完全是随机的，当一块未加电的板 卡连接到正在工作的总线上时，在板卡与总线之间有大的电流流过，总线将受到一个 很大的瞬态干扰，破坏总线上正在传播的数据信息。 ( 2 ) 电源管理。对于一个多种电源混合的系统，一般都会对各种电源的上电、 掉电次序有一个明确的要求。如果在此系统中进行热插拔，可能会破坏各种电源之间 工作次序的配合关系，从而损坏电路板上的器件，使之无法正常工作。 ( 3 ) 浪涌电流。当将一块电路单板插入正在工作的背板上时，电路单板上输入 电容( 由电源、芯片的旁路去耦电容以及各种分布电容组成) 的充电会从背板电源总 线上吸入很大的瞬态电流( 即浪涌电流) ，该电流很容易永久性地损坏电路元件，同 时在系统电源上产生短时脉冲干扰而引起主系统或其他功能模块的复位。 华中科技大学硕士学位论文 软件上的问题： 电路板卡的插入或者拔出实际上是在运行于该主系统上的软件部分的加入或拔 出。因此，软件系统必须能够充分意识到热插拔过程中将要发生什么事件，应采取什 么措施。否则热插拔将引起整个系统软件的崩溃。热插拔引起的软件问题主要体现在 以下几个方面。 ( 1 ) 板卡的增减导致了系统配置的改变。 ( 2 ) 热插拔对总线的瞬态干扰使总线的数据失常，从而使软件运行出错。 ( 3 ) 操作系统因不识：男i j 插拔事件而导致运行出错。 热插拔是一个复杂问题。要实现热插拔就要解决上述出现的问题。 对于硬件方面出现的问题，主要的解决技术有： ( 1 ) 连接器。对于板卡的连接器一般采用分级交错连接针脚，使得板卡插入或 拔出时各引脚按一定的顺序与系统进行连接或断开。当板卡插入时，首先释放板卡上 积存的静电荷，然后电源、地接通，对该板卡进行早期加电，当短引脚接通，并向系 统发出一个使能信号，使系统可以开始控制该板卡的工作状态。当板卡拔出时，上述 事件发生的顺序正好相反。 ( 2 ) 预充电电路。采用分级交错连接引脚的一个重要用途是使预充电电路首先 工作。预充电电路可以在板卡与系统接通前，对板上器件进行预充电，使这些器件处 于高阻态。当板卡与系统接通时，可将瞬态电流降低到最小程度，最大限度地减少对 总线的瞬态干扰，保护了总线上的数据不被破坏。 ( 3 ) 电源软启动。在板卡上设置一个电源控制器，对接到板上的电源上升速率 进行控制，可防止浪涌电流的产生以及对系统总线的损害。 对于软件方面出现的问题，主要解决技术有： ( 1 ) 修改系统软件。使之能够自动监测、识别热插拔事件，并确定具体的热插 拔位置。 ( 2 ) 将插拔事件通知给系统服务程序和相关的驱动程序。 ( 3 ) 增强操作系统的动态配置功能，根据当前系统配置的改变做出相应的配置 切换操作，消除可能的资源冲突，从而保证系统的正常运行。 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 提高系统软件的容错能力。 上述内容是对热插拔相关技术作一个简要的介绍，本文关注的重点是热插拔保护 技术，也就是利用热插拔控制芯片来实现对器件、电路的保护。 2 2 热插拔控制芯片工作原理及系统分析 热插拔控制芯片的基本结构比较相似，都包括一些基本的功能模块，如基准电压 器( v o l t a g er e f e r e n c e ) 、欠压闭锁( u n d e rv o l t a g el o c k o u t ，u v l o ) 、电荷泵( c h a r g e p u m p ) 等等。有些芯片还具有电压电流检测、过压过流保护、软复位、输出驱动和 逻辑控制等功能。图2 1 中所示是本文提出的低压热插拔控制芯片的系统框图。下面 将根据系统框图对低压热插拔控制器的工作过程作一介绍。 v c c s e n s e 图2 1 低压热插拔控制器系统框图 i 遇s e t g n d l o 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 组成模块 此系统共有八个模块组成： ( 1 ) o n 引脚输入比较器c o m p l ； ( 2 ) 电压监视比较器及其干扰滤波器c o m p 2 ； ( 3 ) 电子电路断路器c o 3 ； ( 4 ) 定时控制比较器c o m p 4 ； ( 5 ) 带隙基准源b a n dg a p ( 6 ) 欠压闭锁模块u v l o ， ( 7 ) 电荷泵模块c h a r g ep u m p ， ( 8 ) 数字逻辑控制模块l o g i c 。 其中数字逻辑控制模块l o g i c 起核心协调作用，受控于信号l 3 2 ( c o m p l 产 生) ，l 1 4 ( i m ，o 产生) ，l 1 0 ( c o 3 产生) ，l 9 ( f b 引脚反馈电压) ，”( c o 砌4 产生) ；并产生电荷泵控制信号l l ，定时器控制信号l 8 和系统软复位控制信号l 3 3 。 2 2 2 引脚简介 如图2 2 中所示，本文提出的这款低热插拔控制芯片共有8 个引脚，其中各个引 脚的定义和功能如下： r e s e t o n t i m e r g n d t o pv i e w v c c s e n s e g a t e 甩 图2 - 2 引脚定义图 ( 1 ) r e s e t ：复位引脚若系统产生一个复位信号，则该引脚连接到g n d ；正常 工作时，一个1 2 彳的上拉电流将该引脚接到v c c 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) o n ：模拟输入引脚该引脚门限设置在1 3 0 v 并具有8 0 m v 迟滞。当o n 引 脚拉高时，定时器导通，一个定时周期后，电荷泵导通，g a t e 引脚开始驱动外部n 沟道场效应管。当o n 引脚拉低，若超过4 0 | is ，则g a t e 脚被拉低，电路板不再工 作；若不足1 5us ，则进入一个软复位过程，即g a t e 引脚状态不变，电荷泵正常工 作，但r e s e t 才引脚在o n 引脚被拉低3 0us 后进入复位状态( r e s e t 被拉低 约 一个定时器周期。 另：o n 引脚还用于电子电路断路器的复位操作，即电子电路断路器跳变后， 若o n 先低后高，则电路断路器复位；且系统进入一个正常的上电过程。 ( 3 ) t i m e r ：模拟系统定时器发生引脚定时器关断时，t i m e r 引脚与地短路； 当定时器打开时，一个2 微安的电流源接到t i m e r 引脚上，t i m e r 电压上升，当电压 达到跳变点1 2 3 2 v 时，t i m e r 引脚接地，定时器复位，结束一个定时周期。定时周期 由( 1 2 3 2 x c t i m e r ) 2i ta 得到。 ( 4 ) g n d ：芯片地。 ( 5 ) f b ：电路板电压监视引脚当f b 引脚电压低于1 2 3 2 v ，剧强时引脚被拉 低；当f b 引脚电压高于1 2 3 2 v ，r e s e t 引脚在一个定时周期后升高。f b 弓l 脚内部设 计有一个滤波器防止负电压干扰触发复位操作。 ( 6 ) g a t e ：用于驱动外部n 沟道场效应管的高侧门极的引脚当v c c 为5 v 时， 内部电荷泵保证门极电压至少为1 0 v 。 ( 7 ) s e n s e ：电路断路器设置引脚在v c c 引脚与s e n s e 引脚之间的电源通路上 设置一个检测电阻r s e n s e 。若v s e n s e 大于5 0 m v ，且持续1 0 脚以上，则电路断路器 跳变，g a t e 引脚被拉低。 ( 8 ) v c c ：正电源输入 当上电压大于2 4 7 v ，芯片才工作。欠压闭锁有1 2 0 m v 的迟滞。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 基本控制原理 图2 3 所示为本低压热插拔控制芯片的系统控制流程图。 根据本章2 1 节中的论述，为了解决热插拔控制中遇到的技术难点，本文提出的 热插拔控褂芯片包含了一般热插拔控制器的基本功能，如基准电压器( v o l t a g e r e f e r e n c e ) 、欠压闭锁( u n d e rv o l t a g el o c k o u t ，u v l o ) 、电荷泵( c h a r g ep u m p ) 等等， 同时还集成了电压电流检测、过压过流保护、软启动、输出驱动和逻辑控制等功能。 根据这些功能，本低压热插拔控制芯片可分为如下几种工作模式： 图2 - 3 系统控制流程图 ( 1 ) 电路板带电插入和拔出模式 a 、电路板热插入首先电路板的接口应采用交错的连接引脚，首先电路板 华中科技大学硕士学位论文 接地以释放板上堆放的任何静电；之后进行v c c 连接和所有其边引脚连接，如图2 4 所示。 图2 - 4 电路板插入拔出示意图 在v c c 形成连接后，三极管q 3 、q 4 导通。o n 引脚接到地( l 3 2 = 0 ) ，从而确定 了芯片内部各信号及引脚的初态。 最后当电路板与背板彻底相连的，q 3 、q 4 截止。o n 引脚被拉高，芯片开始一 个上电周期。当上电完成，电路板就开始工作，热插入完成。 b 、电路板热拔出： 当电路板被强行拔出时，o n 引脚首先与连接器断开，并被连接到地。 当o n 引脚关闭( 接到地) 超过4 0i ls ，则g a t e 引脚被拉至i j 地。v o u 。逐渐变为 0 ，从而可轻松、安全地拔出电路板。 当o n 引脚关闭( 接到地) 不足1 5 | ls ，则产生一个软复位。即在g a t e 引脚仍 保持打开的状态下，艘r 信号走低，使电路板上的电路复位。 ( 2 ) 电压监视模式 在正常工作时( 热插入后) ，若v m 电压降至1 2 3 2 v 则咫舾丁走低，电路 板上电路复位。若v f b 升至1 2 3 2 v 以上，经过一个定时周期后，r e s e t 被拉高，电 路板上电路正常工作。 注：若v f b 升至1 2 3 2 v 以上不足一个定时周期，则咫趿r 状态保持不变。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 电流监控模式 在v c c 与s e n s e 之间设置一个检测电阻( r s e n s e ) 。若v r 湖。 5 0 m v 的时间达 l o i ls 以上，则电子电路断路器跳变，g a t e 引脚马上被拉到地，外部的n 沟道场效 应管很快被关闭，电路板上电路停止工作。 若要重新启动电路板上电路，则需要o n 引脚先关断再打开( 可软件操作) ，则 芯片重新开始一个上电过程。上电完成后，系统又可正常工作。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 低压热插拔控制技术及其电路实现 3 1电荷泵电路及实现电路 电荷泵电路是一种应用电容电荷积累效应来产生高于电源电压或负电压的电路， 它一般可以作为开关电容电路系统中的开关驱动电压生成部件，以及应用于非易失性 存储器中，作为编程电压产生器或电平转换电路中的高压产生器n 。 在热插拔芯片的工作过程中，需要对外部m o s f e t 开关的栅极提供高驱动电压， 以使m o s f e t 开关充分导通，降低电路板的供电电路的电压损耗。 3 1 1 电荷泵的结构与原理 d i c k s o n 于1 9 7 6 年提出电荷泵模型n 对。此后，数十年中电荷泵广泛应用于片内高 压的产生。现在大多数电荷泵电路都基于d i c k s o n 电荷泵。 d i c k s o n 电荷泵的基本电路如图3 - 1 所示。 1 2 r j 】z1丁 一-、j 乙j 乙j _ l _ 翻嘲挖嘲眦m麟 c 1 - ：c 2 -：锚： - l _ 图3 1d i c k s o n 电荷泵电路 图3 1 中，采用二极管连接的讧o s 管代替普通二极管。 由于m o s 电荷泵占用面积小，在现在的集成电路工艺中容易实现，是目前最常 用的电荷泵类型。然而，由于n m o s 器件的阈值电压下降和反向电荷分享现象，限 制了电荷泵电路性能的提高。此外，高输出电压，和体效应造成阈值电压增加，严重 地降低了电荷泵的效率n 3 1 。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 为了解决这些问题，如图3 - 2 所示，在本低压热插拔控制电路中，采用了一种使用 二极管连接的三极管( a c 结连接) 代替n m o s 管的电荷泵电路。 v i n 图3 - 2三极管电荷泵电路 三极管的b e 结的节点压相对稳定，在电荷泵输出电压不断升高的过程中，二极 管器件的阈值电压可保持稳定。同时，三极管b e 结的反向漏电流( i s e ) 远小于m o s 管的饱和漏电流，因而在低的工作电压下具有比m o s 管电荷泵更高的电荷转移效率。 由于电荷泵在整个热插拔控制电路中，目的是为外部n 沟道m o s f e t 开关提供高 达1 5 v 的驱动电压，这要求电荷泵电路中的m o s 管耐高压。实际上，在现在的集成 电路工艺中，高压m o s 管导通电阻大，阈值电压高，同时结构复杂，成本昂贵。而 耐高压的三极管则结构简单，b e 结电压稳定，且容易集成。故本文选用了二极管连 接的n p n 管代替了m o s 管。 3 1 2 电荷泵系统及电路 一个完整的电荷泵电路系统框图如图3 - 3 示，它一般由时钟发生器、电荷泵核和 调压电路组成。 图3 - 3 完整的电荷泵电路框图 图中，c k l 、c k 2 表示时钟发生电路产生的两相非交迭时钟；l 1 为整个电荷泵 系统的开关。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 下面将分别从这三个部分来讨论。 ( 1 ) 时钟发生器 时钟发生器是为电荷泵核提供两相非交叠时钟。在具体实现时，由于对时钟的 非交叠性要求不强，因而可用单相互补时钟来替代。 如图3 4 ，为本文提出的时钟发生电路。 v c c 图3 - 4 时钟发生电路 图中，v b l 、v b 2 为偏置电压；c k 表示输出时钟脉冲信号。 根据图3 4 ，信号从节点a ，经一个三级比较器后，到达触发器，然后通过一个 双稳态电路，最后回到百点的所需时间为1 ，2 k ，也就是半个时钟周期。 ( 2 ) 电荷泵核 如图3 5 所示，这里采用一种三级三极管电荷泵，以满足低工作电压，高电荷转 换效率的要求。 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 三级三极管电荷泵 图中，a 、b 、c 、d 表示电路中的4 个节点；c s = c 6 = c z ，c 4 为一小电容。l l 为整个电荷泵系统的开关。 当l 1 = 1 时，电荷泵关闭，时钟脉冲保持高电平。电容c 4 、c 5 、c 6 、c 7 被预充 电。 当l 1 = o 时，电荷泵开始工作。 在第一个半时钟周期，m 1 ，m 2 管导通，时钟脉冲c k = 0 。由于q 1 截止，q 2 导通，故电源直接给c 5 充电，同时c 6 通过q 2 向c 7 转移电荷( 即c 6 、c 7 、q 2 构成充放电回路) 。 在第二个半时钟周期，m 2 管截止，时钟脉冲c k = 1 。此时q 1 导通，q 2 截止，故 c 5 通过q 1 向c 6 转移电荷( 即c 5 、c 6 、q 1 构成充放电回路) 。 在第三个半时钟周期，m 2 管导通，时钟脉冲c k = 0 。此时，q 1 截止，q 2 导通， 故电源比直接给c 5 充电，同时c 6 通过q 2 向c 7 转移电荷( 即c 6 、c 7 、q 2 构成充放 电回路) 。显然，这与第一个半时钟周期时的工作情况一样。 由此，随着c k 的不断变化，电容c 5 、c 6 、c 7 不断地充放电( 电荷转移) ，逐渐 把v 叫t 电位抬高，最后达到稳定。 此电荷泵核中，电容c 4 的节点d 没有放电回路，故在系统工作中，电容c 4 上的 电压不变。随着时钟信号c k 的不断变化，节点电压v d 在4 3 v 一9 3 v ( 假设v c c = 5 v ， v b e = 0 7 v ) 之间不断变化。从而使得m 2 管不断地在截止和导通中变化。即c k = 1 ， m 2 管截止；c k = 0 , m 2 管导通。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 调压电路 调压电路是根据不同的设计要求，将电荷泵输出电压进行调节，并转换成最后的 输出电压。 如图3 - 6 所示的调压电路可用在低压热插拔芯片上来驱动外部的m o s f e t 开关 的栅极。 图3 6 调压电路 图中，c s a m 表示芯片外围驱动电容，v g a m 表示输出的驱动电压，l 1 为整个电 荷泵电路的开关。 根据图3 6 ，l i = 1 + 时，电荷泵关闭，调压电路也停止工作。当电荷泵打开( l 1 = o ) ，1 0 u a 的电流( 由m 6 3 、m 6 2 管镜像产生) 给外部驱动电容c o r e 充电，从而 在c g a m 上得到了一个以固定斜率上升的电压v g a t e 。v g a t e 逐渐上升，直到达到电荷 泵核的输出电压( v 伽。) 为止，即可用来驱动外部的m o s f e t 开关的栅极。 在现在的集成电路工艺中，三极管易集成，耐高压，饱和漏电流小。根据前文的 分析，这里设计的b c 极连接三极管电荷泵电路，适用于低压热插拔控制高电路的电 压环境，电荷转移效率高，性能优秀，实用性很强。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 浪涌电流监控技术及实现电路 3 2 1 浪涌电流监控技术 当电路单板插入带电背板时，带电背板往往已处于稳定工作状态，所有电容均被 充满电荷，而待插入的电路板是不带电的，因此当电路单板与带电背板接触时，由于 电路单板上的电容充电而将从带电背板吸入较大的瞬态电流；同样，当把带电的电路 板拔出背板时，电路板上旁路电容的放电在电路板与带电背板之间形成一条低阻通 路，也将产生较大的瞬态电流。较大的电流会导致连接器、电路元件j 电路板金属连 线( 迹线) 等部件或器件的损坏，也可能使背板电源出现瞬时跌落，从而导致主系统 复位。 为了解决这个问题，在热插拔控制器中设计了浪涌电流监控保护电路，为热插拔 应用提供一套有效的控制和保护解决方案。它成功地限制了电路从带电背板插入、拔 出时产生的瞬态大电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、主板电源跌落等问题 1 4 - 1 5 3 。 对于浪涌电流监控在热插拔控锖i j 系统应用主要是通过外部采用一个敏感电阻实 现。图3 7 所示为浪涌电流监控保护技术的应用原理图。 r 1 q 1 图3 电子断路器应用原理图 浪涌电流监控又可称为电子电路断路器。通过在热插拔控制芯片的电源输入和 s e n s e 引脚之间安置一个检测电阻( r 1 ) ，一旦检测到电阻两端的电压超过5 0 m v 到 2 l 华中科技大学硕士学位论文 达l o | ls 以上，热插拔控制芯片内部的电子电路断路器将跳变。当电子电路断路器跳 变时，g a t e 引脚立即被拉到地，外部n 沟道场效应管将迅速关断。这就实现了电路 板的保护功能。 3 2 2 电流监控比较器 浪涌电流监控，即电子电路断路器，通过一个电流监控比较器来实现。如图电子 电路断路电路图如图3