一种热插拔电路和设备的制作方法

1.本发明涉及电路保护技术领域，特别是涉及一种热插拔电路和设备。


背景技术：

2.随着物联网技术的发展，服务器、网络交换机、磁碟数组以及高电流的通讯基础设备需要持续运转才能满足需求。如果设备在替换、更新或维修时进行在线插拔，则需要设置热插拔电路以避免在插拔的过程中发生故障，但是由于热插拔电路中存在电容，在设备上电时，电容两端充电起始瞬间会产生较大的浪涌电流，可能因此损坏电容和电容所在的回路。
3.现有技术中通过控制电容前端的开关管的缓慢导通使得电容缓慢充电，从而电容所在的回路避免了浪涌电流的冲击，但是现有技术中一旦控制失误很容易造成开关管的损坏，且为了抑制浪涌电流，电路的无功功率消耗较大。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种热插拔电路和设备，降低了浪涌电流的影响，同时也降低了第一可控开关的损耗和电路的无功功率消耗。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种热插拔电路，包括电容、第一可控开关、降压模块及控制模块；
6.所述第一可控开关的第一端分别与直流电源及所述降压模块的第一端连接，所述第一可控开关的第二端分别与所述电容的第一端及所述降压模块的第二端连接，所述电容的第二端接地；
7.所述控制模块分别与所述第一可控开关的控制端及所述降压模块的控制端连接，用于在所述直流电源开始为所述电容充电时，控制所述第一可控开关断开，控制所述降压模块对所述直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压；在确定所述电容充电结束时，控制所述第一可控开关导通，控制所述降压模块停止工作；所述电容两端的电压除以所述第一电压得到的比值与所述第二电压的数值呈正相关。
8.优选的，在所述电容的电压除以所述第一电压得到的比值等于1时，所述第二电压等于所述第一电压。
9.优选的，所述第一可控开关为nmos开关管，所述nmos开关管的漏极作为所述第一可控开关的第一端，所述nmos开关管的源极作为所述第一可控开关的第二端，所述nmos开关管的栅极作为所述第一可控开关的控制端。
10.优选的，确定所述电容充电结束，包括：
11.在所述电容两端的电压除于所述第一电压的比值大于所述预设阈值时，确定所述电容充电结束。
12.优选的，所述降压模块包括第二可控开关、二极管和电感；
13.所述第二可控开关的第一端与所述直流电源的输出端连接，所述第二可控开关的
第二端分别与所述电感的第一端和所述二极管的阴极连接，所述第二可控开关的控制端与所述控制模块连接，所述二极管的阳极接地，所述电感的第二端与所述电容的第一端连接；
14.控制所述降压模块对所述直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压，包括：
15.输出pwm信号至所述第二可控开关，以控制所述第二可控开关进行周期性导通，所述电容两端的电压除以所述第一电压得到的比值与所述pwm信号的占空比呈正相关。
16.优选的，所述降压模块还包括电阻，所述电阻的第一端与所述第二可控开关的第二端连接，所述电阻的第二端分别与所述电感的第一端和所述二极管的阴极连接。
17.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种设备，包括上述的热插拔电路。
18.优选的，所述设备为服务器。
19.本发明公开了一种热插拔电路和设备，包括电容、第一可控开关、降压模块及控制模块，在直流电源开始为电容充电时，控制模块首先会控制第一可控开关断开，并控制降压模块对直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压，电容两端的电压除以第一电压得到的比值与第二电压的数值呈正相关，从而可以使电容的电压逐渐升高。在确定电容充电结束时，浪涌电流消退，控制模块会控制降压模块停止工作，控制第一可控开关导通。由此可见，采用本技术的方式，能够使电容缓慢地进行充电，降低了浪涌电流的影响，同时也降低了第一可控开关的损耗和电路的无功功率消耗。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明提供的一种热插拔电路的结构示意图；
22.图2为本发明提供的另一种热插拔电路的结构示意图；
23.图3为本发明提供的一种热插拔电路的控制原理示意图；
24.图4为本发明提供的一种热插拔电路的控制流程图；
25.图5为本发明提供的一种热插拔电路的工作状态图；
26.图6为本发明提供的另一种热插拔电路的工作状态图；
27.图7为现有技术的热插拔电路工作时的测试波形图；
28.图8为本发明的热插拔电路工作时的测试波形图。
具体实施方式
29.本发明的核心是提供一种热插拔电路和设备，降低了浪涌电流的影响，同时也降低了第一可控开关的损耗和电路的无功功率消耗。
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.请参照图1，图1为本发明提供的一种热插拔电路的结构示意图。
32.本发明提供了一种热插拔电路，包括电容1、第一可控开关2、降压模块3及控制模块4；
33.第一可控开关2的第一端分别与直流电源及降压模块3的第一端连接，第一可控开关2的第二端分别与电容1的第一端及降压模块3的第二端连接，电容1的第二端接地；
34.控制模块4分别与第一可控开关2的控制端及降压模块3的控制端连接，用于在直流电源开始为电容1充电时，控制第一可控开关2断开，控制降压模块3对直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压；在确定电容1充电结束时，控制第一可控开关2导通，控制降压模块3停止工作；电容1两端的电压除以第一电压得到的比值与第二电压的数值呈正相关。
35.在物联网领域，服务器、网络交换机、磁碟数组以及高电流的通讯基础设备需要每天24小时的工作，以达到零停机率的要求，才能提供更好的服务质量，但是如果局端有服务器或通讯模块须要替换、更新或维修，则旧的装备须在在线移除，而新的装备也要在系统仍正常运作的情况下插入替换，此时即需要热插拔电路的装设，以避免插拔过程中发生故障的风险。在设备插拔时，由于电路中有电容的原因，往往会造成很大的浪涌电流，浪涌电流若不加以抑制，通常会产生数百甚至数千安培的电流，如此大的电流会造成输入电压瞬降，严重会让组件寿命减少或是损坏。现有技术中虽然通过控制电容前端的开关管的缓慢导通使得电容缓慢充电，从而电容所在的回路避免了浪涌电流的冲击，但是浪涌电流的大小会依照开关管的导通速度决定，开关管的导通速度过快与过慢都会造成零件损坏，一旦控制失误很容易造成开关管损坏，且为了抑制浪涌电流会消耗大量的无效功率。
36.为解决上述技术问题，本技术中，热插拔电路包括电容1、第一可控开关2、降压模块3及控制模块4，在直流电源开始为电容1充电时，控制模块4首先会控制第一可控开关2断开，并控制降压模块3对直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压，随着电容1充电时间的增加，降压模块3所输出的第二电压是变化的，其中电容1两端的电压除以第一电压得到的比值与第二电压的数值呈正相关，从而可以使电容1的电压逐渐升高，根据电容1两端的电压变化控制降压模块3的第二电压，从而控制浪涌电流的大小。在确定电容1充电结束时，浪涌电流消退，控制模块4会控制降压模块3停止工作，控制第一可控开关2导通。由此可见，通过本技术的方式，采用降压模块3来控制直流电源为电容1充电的充电电路，降压模块3的电流为一可控稳定电流，电流大小可依规格决定，进一步控制电容1的充电时间，使得电容1缓慢充电来降低浪涌电流的影响，无需采用控制第一可控开关2缓慢导通来抑制电路中的浪涌电流，减少了能源在第一可控开关2上的浪费，降低了第一可控开关2的损耗，避免因能量消耗而发热的情况。
37.此外，电容1可以但不仅限为buck电容。
38.第一可控开关2可以为nmos开关管，也可以为pmos开关管，本技术不做特别的限定。
39.电路中的浪涌电流的数值为第一可控开关2第二端的电压与为第一可控开关2的导通电阻的比值，本技术在此不做特别的限定。
40.综上，本技术的热插拔电路，通过降压模块3控制直流电源为电容1充电的充电电流，使电容1缓慢地进行充电，降低了浪涌电流的影响，同时也降低了第一可控开关2的损耗
和电路的无功功率消耗。
41.在上述实施例的基础上：
42.作为一种优选的实施例，在电容1的电压除以第一电压得到的比值等于1时，第二电压等于第一电压。
43.为了能够使直流电源的能量能够最大化地为电容1充电，在本实施例中，降压模块3输出的第二电压随着电容1充电时间的增加会逐渐增大，具体的，第二电压的数值与电容1两端的电压除以第一电压得到的比值呈正相关，当电容1的电压除以第一电压得到的比值等于1时，第二电压等于第一电压，这时可以保证电容1充电达到饱和，从而提高了直流电源的能量的传递效率，不会造成能量的浪费，同时也有效解决了浪涌电流对电流所可能带来的损坏。此外，电容1充电结束时第一可控开关2导通，第一可控开关2两端的电压为0，可以看作是0电压导通，第一可控开关2基本没有开关损耗。
44.请参照图2，图2为本发明提供的另一种热插拔电路的结构示意图。
45.作为一种优选的实施例，第一可控开关2为nmos开关管q1，nmos开关管q1的漏极作为第一可控开关2的第一端，nmos开关管q1的源极作为第一可控开关2的第二端，nmos开关管q1的栅极作为第一可控开关2的控制端。
46.在本实施例中，第一可控开关2可以选用nmos开关管q1，具有控制方式方便、体积小，重量轻，寿命长、热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低等优点。在热插拔电路开始工作时，nmos开关管q1处于断开状态，当电容1充电饱和后，nmos开关管q1再导通，从而损耗较低，降低了电路中的无功功率消耗。
47.作为一种优选的实施例，确定电容1充电结束，包括：
48.在电容1两端的电压除于第一电压的比值大于预设阈值时，确定电容1充电结束。
49.在本实施例中，当电容1两端的电压除于第一电压的比值大于预设阈值时确定电容1充电结束，然后控制模块4会控制降压模块3停止工作，也控制第一可控开关2导通，从而降低了第一可控开关2的损耗，也抑制了电路中的浪涌电流，降低了开关功率损耗。
50.预设阈值可以为1，也即电容1两端的电压等于第一电压，这时电容1达到充电饱和的状态，本技术在此不做特别的限定。
51.作为一种优选的实施例，降压模块3包括第二可控开关q2、二极管d和电感l；
52.第二可控开关q2的第一端与直流电源的输出端连接，第二可控开关q2的第二端分别与电感l的第一端和二极管d的阴极连接，第二可控开关q2的控制端与控制模块4连接，二极管d的阳极接地，电感l的第二端与电容1的第一端连接；
53.控制降压模块3对直流电源输出的第一电压进行降压，得到第二电压，包括：
54.输出pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号至第二可控开关q2，以控制第二可控开关q2进行周期性导通，电容1两端的电压除以第一电压得到的比值与pwm信号的占空比呈正相关。
55.在本实施例中降压模块3包括第二可控开关q2、二极管d和电感l。控制模块4通过输出pwm信号来控制第二可控开关q2进行周期性导通，电容1两端的电压除以第一电压得到的比值与pwm信号的占空比呈正相关，从而实现为电容1的缓慢充电，在电容1充电结束时，控制第二可控开关q2断开，并控制第一可控开关2导通，浪涌电流消退，从而降低了浪涌电流对电路的影响，降低了第一可控开关2的损耗。具体的，例如，pwm信号的占空比为25％，在
第二可控开关q2导通时，直流电源所提供的充电电流只能25％的充电电流会输出至电容1，由于电感l的电流不能突变，25％的充电电流不能立刻传输至电容1处，也即不会全部为电容1充电，电感l也在这个阶段会蓄积磁能，而在第二可控开关q2关断时，这时电感l会将自身所蓄积之磁能变为电流继续为电容1充电，之后再返回电感l，也即将直流电源所提供的25％的充电电流在整个供电周期中平均化变为25％的dc(direct current，直流)电输出至电容1，充电周期以第二开光管的开关频率而定。若电源电压为12v，则为电容1充电的电压变为25％的电源电压即3v。
56.此外，第二可控开关q2可以但不仅限为nmos开关管，nmos开关管的漏极作为第二可控开关q2的第一端，nmos开关管的源极作为第二可控开关q2的第二端，nmos开关管的栅极作为第二可控开关q2的控制端。
57.作为一种优选的实施例，降压模块3还包括电阻r，电阻r的第一端与第二可控开关q2的第二端连接，电阻r的第二端分别与电感l的第一端和二极管d的阴极连接。
58.在本实施例中，降压模块3还包括电阻r，在第二可控开关q2导通时，电容1的充电路径为直流电源-第二可控开关q2-电阻r-电感l-电容1；在第二可控开关q2断开时，电感l将磁能转换为电流为电容1充电。
59.请参照图3，图3为本发明提供的一种热插拔电路的控制原理示意图。在电容1充电过程中，根据电容1值、电容1饱和充电的电压及检测流过电阻r的电流可以确定电容1的充电时间，流过电阻r的电流较小时，可增大第二可控开关q2的占空比，流过电阻r的电流较大时，可减小第二可控开关q2的占空比，；根据第一可控开关2的导通电阻r及检测第一可控开关2第二端的电压可以计算出浪涌电流的值；当降压模块3提供的第二电压的变化第一可控开关2的导通电阻r与电容1两端的电压的变化量相等时，可以实现充电电路的充电电流稳定，当电容1两端的电压与直流电源的电压的差值或比值最小时，控制模块4输出控制信号，控制第一可控开关2导通。
60.请参照图4，图4为本发明提供的一种热插拔电路的控制流程图。通过可控的充电电流对电容1充电，充电电流越大可减少对电容1充电时间，此方法无需通过控制第一可控开关2缓慢导通的方式抑制浪涌电流，可减少能源在第一可控开关2上消耗与浪费，相比于第一可控开关2抑制浪涌电流，能量会在第一可控开关2中损耗导致发热与浪费。电容1充电完成后，可侦测第一可控开关2第二端的电压，经计算可得知浪涌电流值，一旦浪涌电流值满足设定条件，待第一可控开关2上的电压为零即可切换第一可控开关2，达到默认电流与零电压切换的结果，由基础电子电路搭配电源dsp(digital signal processing，数字信号处理)的方法准确判断出预设的电流切换点，大大减少了硬件的设计，能够有效解决浪涌电流可能带来的损坏。
61.请参照图5，图5为本发明提供的一种热插拔电路的工作状态图。当直流电源开始供电时，电流为电容1充电，由于降压模块3能维持稳定电流的充电，所以电路上的充电电流并不会产生过大的浪涌电流。
62.请参照图6，图6为本发明提供的另一种热插拔电路的工作状态图。此阶段电容1已充电饱和，此时nmos开关管q1的导通并不会造成过大的浪涌电流。
63.请参照图7，图7为现有技术的热插拔电路工作时的测试波形图。现有技术中的为了抑制浪涌电流会缓慢导通nmos开关管q1，但是会消耗大量的无效功率，通过测试波形图
可以看出，浪涌电流为400a，开关损耗为780w。
64.请参照图8，图8为本发明的热插拔电路工作时的测试波形图。由于降压模块3可以通过控制第二可控开关q2的占空比来调节导通时间，进而控制充电时间，待电容1充电饱和后将nmos开关管q1导通，所以压降浪涌电流，可依据不同的开关电压,来达到控制浪涌电流的结果，通过测试波形图可以看出，浪涌电流为3.5a，开关损耗为0.065w。由此可见，开关功率损耗得到大大降低，同时对浪涌电流的抑制效果也更加显著。
65.本发明还提供了一种设备，包括上述的热插拔电路。
66.作为一种优选的实施例，设备为服务器。
67.对于本发明提供的一种设备的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
68.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。