热插拔控制器.doc

1、不一样的热插拔控制器(图)作者：美国国家半导体公司 Neil Gutierrez 日期：2008-5-13 来源：本网字符大小： 【大】 【中】 【小】热插拔的定义是在带电运行的背板中插入或移除电路板。热插拔技术已被广泛应用到电信服务器、USB 接口、火线(firewire)和 CompactPCI中。这种技术可在维持系统背板的电压下，更换发生故障的电路板，并保证系统中其他正常的电路板仍可保持运作。在工作中的背板上进行热插拔时，最大的风险在于电路板上的电容器会给电源造成一个低阻抗路径，从而引发大的浪涌电流。浪涌电流可以损毁电路板上的电容、导线和连接器。此外，系统电压亦可能会因浪涌电流而下降到系

2、统重置阈值以下，使得其他连接着背板的电路板也无故重置。热插拔控制器通过控制一个外加 FET(见图 1)来限制浪涌电流。此外，这个控制器可在输出短路到接地或发生大型负载瞬变的情况下对电流做出限制。设计人员在 FET时，通常都认为只要该 FET能抵受 DC电流负载和最大输入电压便足够。可是，如果控制器发生故障并且该控制器又是唯一可控制电流的器件，那这类控制器在任何的操作条件下都不能确保 FET处于安全运作范围(SOA)内。本文将比较两类控制器，一类只具备有电流限制的控制能力，而另一类是可同时拥有功率和电流限制的控制能力热插拔控制器，如美国国家半导体的 LM5069。图 1 LM5069热插拔控制器

3、控制器图 1所示为 LM5069热插拔控制器。当浪涌电流流经传感电阻器(Rsns)时会被感测到，而控制器只会容许一个预定的最大电压通过 Rsns。假如电压增加并超过这个最大电压值时，控制器便会调整栅极电压，使其维持最大值电流一定的时间。电流限制所容许的最长时间取决于故障检测电流、故障阈值和外加电容器，并且通过计时器(TIMER)引脚来编程。一旦 TIMER到达故障的阈值，控制器便会关闭栅极，同时输出会脱离系统的输入电压。系统欠压和过压会分别经由 UVLO和 OVLO引脚上的电阻分压器而检测。这个组件可验证输入电压是处于指定范围，还是高出欠压阈值或低于过压阈值。假如输入电压在指定范围以外，那栅极

4、便会关闭。电源正常引脚(PGD)是一个开放漏极输出。当输出(VOUT)还有几伏便到达输入(VIN)时，开放漏极下拉器件便会被关闭，而 PGD会上拉到 VOUT电轨。PGD 输出可以用来标签下游电路以表示 VOUT电压“正常”。PWR 引脚上的电阻会决定通过 FET的最大功率极限。下文中我们还会详细讨论这个功能。图 2所示为一个只可限制电流的热插拔控制器，除了过压和功率限制功能以外，它具备所有 LM5069的功能。图 2 只有电流限制的热插拔控制器MOSFET安全运行范围（SOA）在热插拔或短路故障期间控制电流时，外置 MOSFET必须保持在 SOA范围内以防止 FET发生故障。图 3所示为 V

5、ishay的 SUM40N15-38 场效应管的 SOA曲线。从图中可见，它的最大漏源极电压 VDS为 110V，而在低 VDS时，电流会被 FET的 RDS(on)所限制。图中所见随时间量度出来的曲线便是 FET的最大能量极限。在 SOA曲线上可以画出一条直线(图 3中的红线)来表示只有电流限制的控制器。在正常运作时(即 VDS低)，电流会被限制到最大 5A，而 FET亦会在 SOA范围以内。可是，当 VDS较大时，控制器的限制仍停留在相同的电流极限，而根据编程故障时间的长短，FET 有可能走出 SOA范围以外。例如，假如系统的背板电压是 50V，电流限制设置成 5A和编程故障时间为 40m

6、s时，输出短路便可能导致 FET的运作脱离 SOA范围(图 3中的红线)。图 3 SUM40N15-38的 SOA曲线图 4中的蓝色曲线表示同时具有电流和功率限制功能的 LM5069。其编程电流限制被设置成 5A，而功率限制则被设置成 50W，至于故障时间再一次被编程到 40ms。现在，当 50V的输出发生短路时，组件将不会再在电流限制模式(5A)中工作，取而代之是在功率限制的模式下(50V1A=50W)。这时，FET 将仍然在 10ms的 SOA曲线下面，防止 FET发生故障(图 3中的蓝色虚线)。同样地，当一个热插拔发生在 50V输出时，功率限制模式将会把 FET维持在 SOA范围以内(图

7、 3中的蓝色虚线)。当 VDS10V时，组件将会进入电流限制模式，并全程为输出提供所需的电流负载，以将 FET保持在 SOA以内。LM5069 的功率限制功能只会当通过 FET的功率意图超越 50W的编程限制时才会启动，否则它只通过电流限制功能来控制 FET。图 4 电流和功率限制控制和安全运作范围试验数据在实验中，同时为 LM5069和电流限制控制器准备应用电路板。两个组件都同样具备 50V的输入、5A 的电流限制和 40ms的故障时间。不过，LM5069 则多了一个 50W的功率限制功能。两个应用电路板最后都通过一个负载电阻器将输出设成短路，从而增加 VDS。图 5所示为电流限制控制器件的

8、波形。输出负载将 VDS增加到 30V。起初，电流被限制在 5A，但经过 10ms后，FET 出现故障并且输入电压到输出电压发生短路。输入电压阻止并限制电流达到电源的电流极限。即使计时器到达 40ms的时限，都不能关闭栅极，因为 FET已遭损毁。查看 SOA曲线，会发现 FET在 VDS=50V和 IDS=5A时只能忍耐一个 10ms脉冲的时间。一旦 FET因电流限制控制器而超过 10ms时，那 FET便会发生故障(图 8中的红色虚线)。图 5 电流限制控制器的波形正如图 6所示，输出负载将 VDS增加到 45V，同时 LM5069将流通 FET的功率限制在 50W。一旦计时器到达故障阈值，那

9、组件便会关闭 FET。在这个短路的情况下，LM5069能够有效的在 SOA曲线的范围内控制 FET(图 8的蓝色虚线)。图 6 LM5069 的波形图 7 LM5069 的纯电流限制为了展示 LM5069的多功能性，图 7表示出一个纯电流限制的情况。在这个情况下，输出负载导致电流增加，但幅度不太大,故不足使 VDS增加。LM5069 以电流限制的模式运作，并把电流限制在 5A。当过了 40ms的编程故障时间后，FET 便会被关闭。同样，LM5069 将 FET控制在 SOA范围以内(图 8中的绿色虚线)。图 8Vishay SUM40N15-38 SOA结论具有电流限制能力的热插拔控制器可提供

10、可靠性，甚至可防止 FET出现灾难性故障。为了防止 FET超出 SOA范围，用户需要选用比较大型的 FET和散热器以获得可靠的故障保护。LM5069 将具有编程能力的功率和电流限制能力结合在一起，所以无须使用大型的外置 FE也能把 FET维持在 SOA的安全范围内。ADM4210热插拔控制器的原理及应用作者：殷高方 张 文章来源：国外电子元器件 点击数：73 更新时间：2009-4-21 1 引言“热拔插”是指将板卡与带电丁作底板进行插拔，即带电插拔。当板卡插入时，工作底板已处于稳定 T作状态，所有电容均被充满电，而待插人的板卡是不带电的，板卡的电容没有电荷。因此，当板卡与工作底板接触时，由于

11、板卡上电容的充电从工作底板电源吸入较大的瞬时电流。当把带电的板卡拔出工作底板时，由于板卡上旁路电容的放电，在板卡与带电背板间形成一条低阻通路，将产生较大的瞬时电流。这两种情况下较大的瞬时电流。使工作底板电源出现瞬时跌落从而引发底板工作状态错误。更为严重的会导致连接器、电路元件、电路板的金属连线等部件或器件的损坏。ADM4210 热插拔控制器，通过外接一个 N沟道功率场效应管 MOSFET和少数外围元件，即可实现板卡与带电工作底板间的安全热插拔。ADM4210 热捕拔控制器可用于电子设备中工作底板，也可以用于移动的板卡。2 ADM4210结构21 内部结构ADM4210内部主要结构包括：欠压锁定

12、电路，消抖滤波比较器，MOSFET 栅极驱动器，电流控制环，延时断路器，定时器等。如图 1所示。22 欠压锁定电路ADM4210工作电压 27165 V，欠压锁定电路检查输入电压是否足以保证器件正常工作。当输入电压低于欠压锁定电压(UALO)，欠压锁定电路使 ADM4210保持复位，GATE 引脚接地，MOSFET 断开；当输入电压达到工作电压范围且 0N引脚为高电平，器件启动，同时 0N引脚的外接分压电阻用来设置一个比内部欠压锁定高的锁定电压。23 消抖滤波比较器0N为器件使能引脚，连接内部 13 V 门限的消抖滤波比较器。0N 低电平，ADM4210 重启，通过 GATE接地，关断外部的

13、MOSFET：0N 高电平，器件工作。在插拔电路板时，内部存在大约 3 s 的消抖滤波延时，0N 引脚外接 RC滤波电路可延长插拔电路板延时时间。24 MOSFET 栅极驱动器内部电荷泵实现外部 N沟道 MOSFET栅极驱动，电荷泵给栅极驱动器提供 12A 的上拉电流。在热插拔电路板时，会突然出现电流浪涌，总线上的电压下降影响相邻电路板正常工作，引发系统故障。MOSFET 栅极驱动器通过控制外部 MOSFET栅极电压，最小化故障引发的总线电压下落。保护邻近电路板。在欠压锁定模式，通到 GATE引脚强大的下拉电路保持 GATE引脚低电平，进而减小热插拔时的浪涌电流。当电路过流时，MOSFET栅极

14、驱动器电路尽力保持负载恒流直到断路器响应。25 电流控制环ADM4210通过外部的感应电阻两端的电压降监测电路电流，当大电流出现时，通过降低外部 MOSFET栅极电压保持感应电阻两端压降 50 mV，此电流控制环响应快速能有效的控制浪涌电流。26 延时断路器断路器是一种过流保护装置。串接在电源与负载之间。当发生过流或短路故障时，断路器自动跳闸使负载断开电源。电路负载阻抗过低或短路等情况，感应电阻电流接近电流限制，断路器定时器初激活，若电流回落，定时器复位。当感应电阻电压降到 44 mV以下时，定时器关闭；相反如果电路过电流持续，过流时间达到断路器延时周期，GATE 引脚关闭。27 定时器TIM

15、ER引脚外接定时电容 CTIMER，控制上电初始化周期、断路器延时周期，以及自动重试的脉冲周期(针对 ADM42101)。通过选择不同的上拉(5A、60A)或下拉电流(2A、100A)给 TIMER引脚外接的定时电容充放电，来控制不同功能周期的时间长短。TIMER 引脚内接高低端电压比较器，TIMER 引脚电压与 COMPl(02 V)和 COMP2(1.3 V)电压比较实现上电启动、过流关断、自动重试等功能的选择。3 引脚功能ADM4210采用 6引脚 TSOT封装，各引脚功能见表 l。4 性能特点27165V 的工作电压范围；提供电路板热插拔保护；断路器跳断电流限制通过外部感应电阻可调；峰

16、故障电流响应快速；电荷泵栅极驱动控制外部 MOSFET开关：支持故障后自动重试模式(ADM42101)；支持故障后自动锁断模式(ADM42102)；支持欠压锁定。5 工作原理板卡与工作底板进行热插拔时，通过外接的感应电阻 RSENSE监测负载电流，若电路出现过流、短路故障，ADM4210 将降低 MOSFET的栅极电压进入限流模式同时开启断路器延时定时器，如果限流延时期满故障仍未排除。ADM4210 将断开外接 MOSFET，切断电路连接。故障后的处理，ADM4210 的两种型号器件略有不同：ADM4210 一 l进入自动重试模式，即故障出现后，器件在重试延时周期结束时自动重试连接电路，直到故

17、障排除；ADM42102 则进人锁断模式，即故障出现后，器件将锁断电路连接，直到外部提供复位信号，器件才重新启动连接电路。ADM4210主要工作过程包括上电启动和故障保护。51 上电启动上电后，ON 引脚为低电平，ADM4210 复位，GATE 引脚被下拉为低电平，MOSFET 断开，TIMER 引脚被 100A 电流下拉为低电平，当 ON引脚升为高电平(大于 13 V)，如图 2位置 2，同时输入端电压高于欠压锁定电压 UALO，TIMER 引脚低于 0.2 V，启动过程开始。内部电路通过 5A电流给 TIMER引脚定时电容 CTIMER充电，当 TIMER引脚电压达到 COMP2(1.3

18、V)，初始化第一阶段结束，如图 2位置 3，然后改用 100A 下拉电流给电容 CTIMER放电，直到 TIMER引脚电压低于 O2 V，图 2位置 4，初始化过程结束。启动周期开始TIMER 引脚电平继续降低，GATE 引脚被拉为高电平。MOS-FET 闭合，电路接通，启动完成。52 故障保护当感应电阻电压超过断路器的跳断电压，定时电容 CTIMER通过 60 A 上拉电流充电，若在 TIMER引脚电平达到 1.3 V前，感应电阻电压降到断路器跳断电压以下，定时电容 CTIMER通过 2A 的下拉电流放电，断路器并不关断电路，这样保证了瞬间过流不影响电路正常工作。但是，若过流持续，60A 上

19、拉电流断续给定时电容充电，当 TIMER的引脚电压超过 l.3 V，GATE 引脚被拉为低电平，外部 MOSFET断开电路连接，如图 3所示。(1)ADM42101自动重试模式 当 TIMER引脚电压超过 1.3 V，ADM42101 改用 2 下拉电流给定时电容放电，当 TIMER引脚电平降到 COMPl(02 V)，用 100A 下拉电流给定时电容快速放电，同时 GATE引脚升为高电平，重试接通电路，如图 3所示。自动重试周期由定时电容确定，占空比为 2A60A，大约 38，即重新检测电流周期中，38时间电路连通 tON，962时间电路断开。，这样可以确保器件有足够时间冷却。(2)ADM4

20、2102锁断模式 当 TIMER的引脚电压超过 13 V，ADM42102 改用 5A 上拉电流继续给定时电容充电，维持 TIMER引脚电平高于 1.3 V、GATE 引脚低电平，电路保持开路。直到 0N引脚出现低电平或将 TIMER引脚电平拉低，芯片复位，如图 4所示。6 实际应用电路设计61 ADM4210 热插拔保护电路ADM4210构成的热插拔保护电路如图 5所示，上电启动信号如图 6所示。62 外围器件选择(1)N沟道 MOSFET MOSFET管额定电流必须满足负载电流的要求，在满负荷范围内，MOSFET 导通电阻比应足够小以降低栅漏间的压差，减小功耗。(2)感应电阻 RSENSE

21、监测感应电压，电压比较器门限电压为 50 mV，选择感应电阻时应保证当负载过流时，感应电阻电压不低于 50 mV，过载电流一般设置为正常工作时负载电流的 1倍。例如，负载正常工作电流为 100 mA，则 RSENSE=50 mV(2100 mA)，即 0.25。(3)定时电容 CTIMER定时器通过不同的内部电流对定时电容充放电，以及不同触发电平选择，确定不同功能电路周期，即初始化周期 tINTIAL，断路器延时周期 tBREAKER以及自动重试周期 tRETRY(针对 ADM4210一 1)，根据图 2上电启动过程，初始化周期为 2729 msF，由图 3和图 4故障保护过程可知，断路器延时

22、周期为 216 msF，自动重试周期 217 msF，计算过程如下：例如，当定时电容为 022F 时，初始化周期为 60 ms，断路器延时周期 475 ms，自动重试周期 477 ms。7 结语ADM4210为电路提供欠压、过压、过流和短路保护，在不响应工作底板正常运行情况下，完成板卡的热插拔。除此之外，ADM4210 还可广泛应用于电路电源保护器，工业高端开关和高端电路的断路器，电子电路的断路器等场合，具有极高的应用价值和广泛的应用前景。Maxim 推出单通道热插拔控制器 MAX5978字体: 小 中 大 | 打印发布: 2010-8-10 17:01 作者: webmaster 来源: 本

23、站原创 查看: 37 次Maxim 推出适用于 0 至 16V 背板的 单通道热插拔控制器 MAX5978。该器件能够确保线卡在带电背板上安全地插入或拔出，而不会引起 系统电源故障。MAX5978 集成 10 位 ADC，用于电压和电流监测，使系统设计人员能够更好地控制功耗，提高系统可靠性。目标应用包括网络设备、基站、存储系统和计算机服务器线卡。内置的 10 位 ADC 和 IC 兼容接口可精确监测热插拔线卡中的电流、电压和故障状态。此外，MAX5978 还集成由两个环形缓存器构成的易失存储器，用于存储最近 5ms 的电流和电压测量值。可随时或在发生故障时通过 IC 接口读取缓存器。系统根据缓存器中的数据判断线卡的供电和工作情况是否正常，从而提高整个系统的可靠性。