热插拔控制器.doc

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Vishay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40ms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3中的蓝色虚线)。当VDSVUVLO而延迟时间未达到150ms，则MAX4273将限制MOSFET的导通，以避免外部MOSFET栅极出现驱动不足，150ms延迟时间用于保证板卡完全插入主机背后板后VIN能够达到稳定状态，一旦VIN低于UVLO门限值，芯片将被复位，并初始化一次启动时序。过压检测电路能够保证在检测到系统故障时，在MOSFET栅极电压完全放电（电压低于0.1V）后负载电压低于 0.1V之前，芯片不会重新启动。新型MOSFET栅源电压之间的额定电压VGS加为限制，以保护MOSFET免于损坏。2 MAX4273控制时序 图1中的电容CTON用于设置启动周期，当VINVUVLO并到达150ms、同时VON0.6V、芯片不能重试状态时，控制器开启。在启动周期内低速比较器被禁止工作，MOSFET栅极驱动电流被限制在100A以内，且随着棚极电压的升高而降低。MAX4273 可通过以下两条途径提供负载限流：第一种是通过控制MOSFET的栅极电压使负载电流缓慢上升；第二种是通过调节外部限流电阻来限制负载电流。在启动过程中，高速比较器是电流调节环路的组成部分，当负载电流高于检测门限时，MOSFET的栅极电压将以70A的电流放电，当负载电流低于所允许的站限时，电荷泵再次导通，因此，负载电流将在快速比较器设置的门限值附近波动，上升或下降时间由高速比较器和电荷泵传输延迟时间确定，这时负载电流将呈现出20%的纹波，增大MOSFET栅极与GND之间的电容可降低纹波。启动周期结束后，控制器输入正常工作模式，MAX4273的状态输出引脚STAT输出高电平，此时，如果低速比较器或高速比较器检测到故障电流，STAT将变为低电平，输出电压通过LLMON与GND之间的内部1k电阻放电，其故障响应时序如图 2所示。3 热插拔保护电路设计 热插拔控制器可象图3那样放置在板卡上或象图4那样放置在背板上，置于背板上时允许具有不同输入电容的板卡（不带热插拔保护）在同一插槽进行带电插拔。图 3电路可利用MAX4273内部的ON比较器监测外部元器件（如MOSFET）的温度，当温度超出预置门限时，ON比较器通过逻辑控制器断开 MOSFET。复位比较器对输出电压进行监测，以为微处理器提供复位控制。具体设计时需注意外部元件的选择和有关参数的设置。3.1 合理选择外部元件 N沟道MOSFET应选择具有低导通电阻（RDS（ON）的MOSFET，以使漏源之间在满负荷负载下具有较低的压差，从而降低MOSFET的功率损耗。如果RDS（ON）较大，输出电压会随板卡负载的变化而出现波动。表1列出了几种MOSFET的推荐型号，供设计参考。表1 MOSFET推荐型号：型 号性能指标厂 商网 址IRF741311m、8SO、30V国际整流器公司IRF740122m、8SO、20VIRL3502S6m、D2PAK、20VMMSF330020m、8SO、30V摩托罗拉公司/ppd/MMSF5N02H30m、8SO、20VMTB60N05H14m、D2PAK、50V 选择限流电阻（RSENSE）时，应保证所允许的最大工作电流在限流电阻上产生的压降高于低速比较器的过载电压门限（50mV），通常过载电流设置为最大工作电流的1.21.5倍。高速比较器的门限电压应为固定的220mV或50mV4750mV之间调节，故障检测电流一般设置为过载电流门限的4倍。表2列出了几种RSENSE与限流电平所对应的值：表2 限流电平与RSENSE：RSENSE（m）低速比较器过流检测门限（A）快速比较器故障电流门限（A）105575501115100 a.快速比较器门限的设置 快速比较器故障检测门限由RTH确定，门限可调范围为50mV750mV，对应的电阻值范围为5k75k，RTH（k）=VTH.FC（mV） /10。注意，当200RTH5k时，高速比较器门