大多数关键任务的系统在整个使用寿命期间都需要被设计为几乎零停机时间。因此，如果此类系统的某个组件发生故障或需要更新，就必须在不中断系统其他部分运行的情况下进行更换，在此过程中，需要将电路板或模块取出，并将其替换件插入，而系统仍保持运行状态。
该过程被称为热插拔。
图1：在热插拔中，取出一个电路并插入其替换电路。
热插拔控制器是一种专用设备或集成电路，用于在不中断系统运行或造成损坏的情况下，管理电路板(或组件)在运行中的系统中的插入和移除。
本质上，连接电路板输入电源轨和电路板其他电路的热插拔控制器电路是一个浪涌电流限制器，允许以受控方式对大容量电容进行充电。此外，热插拔控制器电路还可以处理某些故障，例如过流和过压。
通用热插拔实现的实例如下(图2)。
图2：这是对基于热插拔控制器构建的电路的详细展示。
当电路板连接到总线时，如果没有热插拔控制器，电容Cbulk将会以较大的浪涌电流充电。有了热插拔控制器，浪涌电流可以通过电流检测电阻Rsense上的压降来检测，然后限制电流，反馈引脚Fb用于监控输出电压是否出现欠压和过压情况。该电路中一个至关重要的组件是功率MOSFET。
图3：这是典型的分立热插拔拓扑结构示例。
这个热插拔应用电路采用常规PNP晶体管(TR1)和电流检测/设置电阻(R1)来提供连续的电流检测和限制。通电后，电流流经R1和TR2到达负载，流经R1的电流为TR1产生VBE偏置电压。如果电流大到足以使TR1偏置导通，则TR1通过降低TR2的栅极-源极电压来限制通过TR2到负载的导通电流。
热插拔控制器设计面临的最大挑战是选择合适的MOSFET作为传导元件。因为在对大容量电容充电时，MOSFET将处于线性区，因此存在因快速焦耳热效应而导致过热故障的风险。
这意味着MOSFET在预充电阶段处于线性工作模式，两端电压较大，直到大容量电容(负载电容)充满电，此时MOSFET达到完全导通状态，并以其标称的导通电阻(Rds-on)运行。因此，整个预充电能量都消耗在MOSFET上，使其承受的压力非常大。需要注意的是，处理电流充电的能力与MOSFET的安全工作区(SOA)有关，而该能力取决于芯片和封装尺寸。
值得注意的是，基于IC的热插拔方案在小封装内提供了多种功能，而且该IC仅需很少的外部元件。例如，下图所示为带有故障定时器的RT1720热插拔控制器的简化应用电路。
图4：该应用围绕RT1720热插拔控制器构建。
为了就本文进行一些简单实验，我随机选用了AP2337热插拔控制器IC。
AP2337是一款单通道限流集成式高侧电源开关，专为热插拔应用而优化。该器件采用SOT23封装，提供反向电流阻断、过流、过温和短路保护，以及支持受控上升时间和欠压锁定功能。
AP2337应用电路如下所示。
图5：AP2337提供快速的短路响应时间，以提高整体系统的鲁棒性。
由于这只是一个简单的实验，而且我驱动的是一个简单的测试负载，所以我故意采取了一些临时的措施。当我进一步探索这个概念时，我会把所有东西都焊接到穿孔板或定制的PCB上，以使其更加坚固。
总而言之，热插拔至少需要限制浪涌电流，以防止大电容负载通电时出现系统整体断电的可能性。热插拔控制器是关键控制系统中的核心元件，这类系统必须保持连续运行，允许在不中断系统的情况下更换故障模块和/或组件。
(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog，参考链接：How hot swap circuits and controllers work，由Ricardo Xie编译。)
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