个人认为 BMS 硬件设计有两个难题,一是绝缘检测电路设计,另外一个就是 AFE 的防护设计。热插拔也是 AFE 防护设计需要考虑的一种场景,今天就总结下热插拔的相关知识。

 

之前有经历过在模组上拔插采样板的时候,第一次没啥问题,第二次采样板就冒烟了,当时心情很复杂。

 

 

定义:
热插拔(Hot Plug\Hot Swap),即带电插拔,指的是在不关闭系统电源的情况下,将模块、板卡插入或拔出系统;我们的目的是在热插拔的场景下,不会损坏单板硬件。这个概念最早来自于服务器领域,很多板卡、背板都是要满足热插拔测试的。

 

 

BMS 里面更让人关注的是采样板 AFE 处的热插拔情况,类似下图这种场景,把单体电压、温度采样的连接器与采样板进行插拔时,要求不能损坏采样板器件。

 

 

损坏机理:
热插拔损坏机理主要就是器件过功率,可能是过流、也可能是过压。


一般 AFE 的采样端口处都会放置 RC 滤波,而且电容 C 又可能是共模电容或差模电容;如下图中,当插入连接器时,在电容 C40 上可能会存在这样的一个电流路径,对电容进行充电,那么就有可能超出前面的 R75 的功率限制,进一步可能烧毁 R75。

 

 

上图的电流路径走的是 AFE 外部,当然也会有走内部的情况;由于连接器插入时,引脚的顺序是不固定的,那么就可能存在下图中的场景,电流通过 AFE 内部寄生二极管形成了一个不寻常的充电路径,这样也可能会损坏 AFE。

 

 

也有这样的情况,由于两个引脚的上电顺序不一致,可能在两个引脚之间存在一个压差,导致内部的保护二极管动作,也有可能这个能量超出其承受能力,造成 AFE 损坏,如下图示意。

 

 

还有就是模组上面采样线如果采用 FPC,那么 FPC 上面的走线保险丝也是容易被热插拔损坏的地方。

 

 

上面的几种情况只是一个示例,如果真发生热插拔损坏,其实真的很难定位问题。因为 AFE 内部设计的电路对我们来讲差不多是一个黑盒,我们可以通过芯片手册来猜测一些损坏机理,但完全搞清楚比较难。

 

 

对此,首先要按照厂家推荐的外部 RC 参数来设计,它们一般是做过热插拔测试的,如果做更改,要和它们确认好可行性;另外如果出了问题,还是要找原厂来帮助解决分析问题,自己容易走进死胡同。


目前从应用来看,各家使用内部均衡确实是一个趋势,下图为内部均衡示意图(来源 ADI 官网),但是内部均衡相对外部均衡来讲,引脚处防护确实有点弱;我遇到过实际的问题,而且不是某一家的问题,是个通用的问题。

 

 

热插拔试验设计
一般采用下图的配置来搭建热插拔测试台架,通过继电器的时序控制,来实现模拟每一条采样线的连接组合,从全 0 到全 1 的模拟。

 

 

试验的几个注意点:每种工况的次数最好在 5 次以上,试验时单体电压不要太低,还有就是试验线束尽量短,模拟器输出电流不要限流等。


除了上面的测试外,我强烈推荐在真实项目的模组上手动来做热拔插测试,因为二者真的不一样。

 

 

总结:
今天看到新闻说 ADI 收购了美信,那么后续两家的 AFE 产品该怎么发展也是一个有趣的问题,会不会整合两家的优点,推出一个黑科技出来,让别人无路可走;以上所有,仅供参考。