1 热插拔架构的演进

如 [1] 中所述，为了满足 AI 的电源需求，数据中心电源架构正在从 IT 机架内的传统电源架过渡到电源侧板。热插拔技术即在不关闭系统的情况下更换或添加硬件组件的能力，该技术已从基础、专用的外设支持演变为现代数据中心和计算的关键高性能特性。该技术的演进从简单的连接器标准延伸至高级电源管理领域，其驱动力是对最大化运行时间与效率的需求。

早期（USB 诞生之前）

最初，热插拔仅限于高可用性系统，如大型计算机，其中专用、昂贵的硬件使模块无需关机即可移除。小型计算机系统接口为外设引入了热插拔功能，但不如当今标准可靠。

USB 革命

USB 的引入使热插拔在消费电子领域成为常态，允许在系统运行时安全地添加和移除键盘、鼠标、打印机、相机和闪存驱动器。演进过程从简单地对插槽断电（无源）转向使用有源 MOSFET 控制器安全地管理上电时序，保护组件和背板。

数据中心增长（12V 时代）

随着数据中心停机成本变得过于昂贵，热插拔功能变得对实现高可用性至关重要。在刀片式服务器带电插入 12V 背板期间，热插拔控制器有助于管理浪涌电流并保护主总线。

第一代热插拔控制器（如图 1-1 所示）采用简单的功率限制架构，确保 MOSFET 在启动和故障恢复期间保持在安全工作区 (SOA) 内。该控制器由电流检测放大器和电压检测电路组成：电流检测放大器监测检测电阻器两端电压以获得电流信息，电压检测电路测量 FET 两端电压。

将电流检测放大器和电压检测电路的输出相乘，即得到 FET 中的功率损耗，必须对该损耗加以限制，以在管理系统浪涌电流或故障电流的同时保护热插拔 FET。

第二代热插拔控制器（如图 1-1 所示）提供了更复杂的特性，例如过热保护、用于系统诊断的遥测，以及机架服务器中托盘之间的数据流量管理。但随着机架托盘功率级别提高，输出电容也会增加；考虑到启动期间商用 FET 无法承受的严重 SOA 应力，这使得功率受限的控制器设计变得不切实际。另一种方法 [2] 是使用图 1-1 所示的输出电压转换率 (dv/dt) 控制电路来限制浪涌电流，该方法可降低启动期间的功率耗散，并将耗散分散到更长时间内，使 FET 能够安全地处理功率。

为了支持繁重的数据流量，数据中心运营商采用更快、更耗电的 CPU 和存储器来提高数据处理能力。这一做法将相同外形尺寸下每托盘的功率需求推高至 4kW，因此需要采用集成 FET（也称为电子保险丝）的高密度保护解决方案，如图 1-3 所示。TI 的 12V 高电流电子保险丝提供了差异化的特性 [3]，例如可调节过流消隐功能（用于支持下游计算负载的瞬态需求）、黑盒故障记录、主动同步，以及旨在实现无限可扩展性的启动和稳定状态期间负载共享，所有这些特性均集成在 4.5mm x 5mm 封装中，同时支持 60A 均方根 (RMS) 电流。

云计算（48V 时代）

随着云计算应用需求持续增长，企业服务器的功耗已相当高，因为这些服务器要同时处理大量数据和存储。每块服务器主板的稳定状态额定功率现在已达到 5kW 至 6kW，这使得 12V 电源轨上的配电方案变得效率低下。在相同功率下，从 12V 服务器架构转向 48V 可将电流降低 75%。这一降低使阻性功率损耗 (I²R) 减少为原来的 1/16，铜母线和电缆需求最多减少 90%，并显著降低机架热损耗。

图形处理单元 (GPU) 构成 48V 服务器系统中的主要负载，与通用服务器相比，其负载幅度、转换率和瞬态负载频率高出三到四倍。使用 TI 的第一代 LM5066I 热插拔控制器支持高功率 48V 设计时，这一情况需要一些电路增强功能（如 [4] 所述）。

TI 的下一代热插拔控制器 LM5066H2 提供了双栅极驱动架构（图 1-4），使单个 SOA FET 能够处理启动和故障条件下的功率应力。与多个用于正常电流运行的低漏源导通电阻 (R_DS(ON)) FET 相结合，LM5066H2 可帮助将高于 4kW 设计的总解决方案尺寸缩小 40%。

作为业界首款 48V 电子保险丝，TI 的 TPS1685 可增强 FET 保护并简化可扩展性，从而实现高密度大功率设计。图 1-5 所示为使用 48V 电子保险丝的电路配置。

AI 计算（±400V_DC 或 800V_DC 时代）

AI 处理能力的激增推动了服务器机架从 12V 架构过渡到 48V 架构，以降低功率损耗并提高效率。基于 AI 的 IT 机架使用数百个处理器来快速处理让 AI 发挥最佳功能所需的计算量，因此在不久的将来需要 100kW 到 1MW 的机架功率 [5]。在 48V 电源轨上分配如此大的功率会导致电流超过 20kA，需要沉重且昂贵的母线，实施起来不切实际，因此 AI IT 服务器机架中的配电需要更高的 ±400V_DC 或 800V_DC 总线电压。低压直流架构需要高级热插拔控制器来处理更高电压的浪涌电流并提供准确的遥测，同时还需要采取适当的安全和绝缘措施。

领先的超大规模企业和云服务提供商目前正在评估多种设施级架构，例如 ±400V_DC（两线）、±400V_DC（三线）和 800V_DC。这些架构直接影响着热插拔保护要求。

图 1-6、图 1-7、图 1-8 和图 1-9 展示了各种架构 [6] 以及 IT 机架侧热插拔保护插座。