Ein Konzept zur Systemanpassung Herausforderung Hot-Swap

Das Ziehen und Stecken von Leiterplatten oder Modulen zu Austauschzwecken im unterbrechungsfrei laufenden System wird als Hot-Swap, manchmal auch Hot-Plugging bezeichnet. Hot-Swap-Controller erlauben kontrolliertes Einschalten und sichern gegen Überströme und Kurzschluss. War das sichere Stecken und Ziehen von Leiterplatten bisher hauptsächlich Serveranwendungen vorbehalten, so entdecken mittlerweile auch Anwender in Industrie und Medizin die Vorteile moderner Hot-Swap-Bausteine. Durch Signalisierungs-Ausgänge (Flags) kommen diese auch dem zunehmenden Wunsch nach digitaler Geräteüberwachung entgegen.

Obgleich das Unterbrechen der Versorgung und Einschalten durch gezieltes Hochfahren des Stromes auf den ersten Blick trivial erscheinen mag, verbergen sich einige Tücken im Detail. Die zu schaltenden und zu überwachenden Ströme können sehr hohe Spitzenwerte annehmen, was die Bauteile teilweise stark belastet. Die Berechnung der Komponenten und Variablen eines Hot-Swap- Systems wird im Folgenden detailiert diskutiert und die Realisierung mit einem Hot-Swap-Controller beispielhaft gezeigt.

In Anlagen mit hoher System-Verfügbarkeit findet man hauptsächlich zwei Versorgungsspannungs-Level, –48 V und +12 V. Module mit negativer Versorgungsspannung verwenden einen Low-Side-Controller mit externem MOSFET, Module mit positiver Versorgungsspannung verwenden High-Side-Controller mit externem MOSFET.

Die –48-V-Schiene wurde für traditionelle Telekommunikationssysteme mit Versorgung aus Bleiakkus festgelegt. Der Spannungswert ist ein Kompromiss aus dem Wunsch nach verlustarmer Leistungsübertragung und Berührungssicherheit. Die negative Polarität mit Plus an Erde wurde aus Korrosionsgründen gewählt. Die Migration von Metallionen von der Anode zur Katode ist deutlich geringer und erhöht damit die Standzeit und Zuverlässigkeit der Anlagen, welche bevorzugt die Erde als Rückleiter verwenden.

In modernen Datenkommunikationsanlagen werden kompakte Systeme mit geringeren zu überbrückenden Entfernungen verwendet. Hier führen Versorgungsspannungen von +12 V zu einer besseren Leistungsbilanz und Berührungssicherheit. Ähnliche Spannungen werden im Medizin- und Industriebereich genutzt. Die grundsätzlichen Design-Überlegungen für 12-VSysteme lassen sich sinngemäß auf Systeme mit anderen Versorgungsspannungen übertragen.

Für ein Einschubsystem mit Steckmodulen und 12-V-Zentral-Versorgungsschiene soll jedes der Einschubmodule so geartet sein, dass es gezogen und ersetzt werden kann, ohne dass das restliche System davon beeinträchtigt wird. Ein Einsteckmodul kann aufgrund der Blockkondensatoren für die Versorgungsspannung ohne weiteres eine kapazitive Last von einigen mF (Millifarad) repräsentieren.

Wird ein solches Modul ins laufende System eingesteckt, so werden die ungeladenen Blockkondensatoren die maximal mögliche Strommenge von der Zentralschiene abfordern. Ohne Eingangsstrombegrenzung führt dies zu Kontaktabbrand und unerwünschtem Spannungseinbruch auf der Zentralschiene. Ein solcher Spannungseinbruch kann andere Module im System stören und in den Reset-Zustand versetzen.

Solche Probleme lassen sich vermeiden, wenn das Modul einen Hot- Swap-Controller enthält. Dieser erlaubt eine Eingangsstrombegrenzung und gewährleistet gleichzeitig einen dauerhaften Schutz gegen Überstrom und Kurzschluss.

Der Hot-Swap-Controller soll den Eingangsstrom zunächst von Null auf einen vorgewählten Maximalstrom hochfahren. In der folgenden Phase soll auf den Maximalstrom geregelt werden. Im Kurzschlussfall muss der Stromkreis sehr schnell unterbrochen werden.

Der Regelkreis für Hot-Swap (Bild 1) wird durch drei Komponenten gebildet: einen n-Kanal-FET (Q1) als Schalter, einen Stromfühlerwiderstand (RSense) sowie den eigentlichen Hot- Swap-Controller-Baustein samt Strom- Messverstärker. Zusätzlich sorgt ein Timer für eine zeitliche Begrenzung des Überstroms. Normalerweise ist auch eine Soft-Start-Funktion eingebaut.

Der Messwiderstand RSense liefert im Beispiel eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 100 mV. Diese Spannung wird hier vom Strom-Messverstärker im Controller um einen festgelegten Faktor (im Beispiel 10) verstärkt, maximal also auf 1 V. Die Ausgangsspannung des Verstärkers wird an einen Komparator angelegt, welcher mit einer Vergleichsspannung von 1 V aus einer internen Referenz beaufschlagt wird. Überschreitet die Eingangsspannung vom Stromfühler den Maximalwert von 100 mV (±3 %), so meldet der Komparator einen Überstrom. Der Schwellwert wird somit durch den Wert des Messwiderstandes definiert.

FET-Ansteuerung und Zerstörungsschutz durch Timer

n-Kanal-FETs sind kostengünstig und werden in großer Auswahl angeboten. Zum Einschalten benötigt der n-FET allerdings eine Gate-Spannung von 5 bis 10 V oberhalb seiner Source-Spannung. Diese Spannung erzeugen Hot- Swap-Controller mittels interner Ladungspumpe. Zur Regelung wird ein kleiner Strom vom Gate gegen Masse abgeführt. Im Kurzschlussfall wird eine schnelle Abschaltung durch hartes Schalten des Gate gegen Masse bewirkt.

Nach Ablauf der Timer-Zeit soll eine Überstrom-Abschaltung erfolgen. Mit einem Kondensator CTimer wird die maximal zulässige Dauer für den Überstrom festgelegt. Dieser muss einerseits so lange fließen, dass die Kapazitäten auf dem Modul vor der Zeitüberschreitung vollständig geladen sind.

Dabei darf andererseits nicht die maximale physikalische Belastbarkeit des MOSFET überschritten werden. Die Hersteller liefern hierzu ein Kurvendiagramm für den sicheren Arbeitsbereich. Dieses wird als Safe Operating Area bezeichnet, kurz SOA. Das SOA-Diagramm zeigt die Maximalwerte des Drain-Stroms über der Drain-Source-Spannung in Abhängigkeit von der Zeitdauer (Bild 2).

Bei UDS = 10 V ist hier im Beispiel zerstörungsfrei ein Drain-Strom von 85 A für 1 ms zulässig. Dies entspricht einer kurzzeitigen Verlustleistung von 850 Watt. Wird passend zum Beispiel der Timer auf 1 ms programmiert, so wird im Überstromfall der Hot-Swap- Controller den FET nach Ablauf von 1 ms abschalten.

Im ADM1177 ist eine Sicherheitsreserve für die Auslösespannung etwas unterhalb von 100 mV am Stromfühler- Messverstärker-Eingang angesetzt, genauer gesagt bei 92 mV. Hierdurch wird der Timer schon etwas vor Erreichen des Sollwertes von 100 mV gestartet, so dass ein ausreichender Abstand zu den Grenzen der SOA bleibt.