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
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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(50V×1A=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VDS<10V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
2．1 内部结构
    ADM4210内部主要结构包括：欠压锁定电路，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。

2．2 欠压锁定电路
    ADM4210工作电压2．7~16．5 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。
2．3 消抖滤波比较器
    0N为器件使能引脚，连接内部1．3 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MOSFET：0N高电平，器件工作。在插拔电路板时，内部存在大约3 μs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。
2．4 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12μA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栅极驱动器电路尽力保持负载恒流直到断路器响应。
2．5 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。
2．6 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。
2．7 定时器
    TIMER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ADM4210—1)。通过选择不同的上拉(5μA、60μA)或下拉电流(2μA、100μA)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(0．2 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
    ①2．7～16．5V的工作电压范围；②提供电路板热插拔保护；③断路器跳断电流限制通过外部感应电阻可调；④峰故障电流响应快速；⑤电荷泵栅极驱动控制外部MOSFET开关：⑥支持故障后自动重试模式(ADM4210—1)；⑦支持故障后自动锁断模式(ADM4210—2)；⑧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：①ADM4210一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，直到故障排除；②ADM4210—2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。
5．1 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100μA电流下拉为低电平，当ON引脚升为高电平(大于1．3 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5μA电流给TIMER引脚定时电容CTIMER充电，当TIMER引脚电压达到COMP2(1.3 V)，初始化第一阶段结束，如图2位置3，然后改用100μA下拉电流给电容CTIMER放电，直到TIMER引脚电压低于O．2 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。

5．2 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 μA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2μA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，60μA上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)ADM4210—1自动重试模式 当TIMER引脚电压超过1.3 V，ADM4210—1改用2μ下拉电流给定时电容放电，当TIMER引脚电平降到COMPl(0．2 V)，用100μA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2μA／60μA，大约3．8％，即重新检测电流周期中，3．8％时间电路连通tON，96．2％时间电路断开￡。，这样可以确保器件有足够时间冷却。

    (2)ADM4210—2锁断模式 当TIMER的引脚电压超过1．3 V，ADM4210—2改用5μA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
6．1 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。

6．2 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／(2×100 mA)，即0.25Ω。
    (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272．9 ms／μF，由图3和图4故障保护过程可知，断路器延时周期为21．6 ms／μF，自动重试周期21．7 ms／μF，计算过程如下：

    例如，当定时电容为0．22μF时，初始化周期为60 ms，断路器延时周期4．75 ms，自动重试周期4．77 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I²C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I²C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。

MAX5978额定输入为0至16V，并可承受高达30V的瞬态或感应电压。器件提供启动时的浪涌电流控制以及启动后的两级过流保护。MAX5978还具有5个数字比较器，用于过流报警、两级过压检测和两级欠压检测。四路I/O可以独立配置为通用I/O (GPIO)或闪烁时间可编程的漏极开路LED驱动器。其它功能包括：指示欠压、过压和过流故障的报警输出。该款控制器可以配置为闭锁或自动重试故障管理模式。

MAX5978采用小尺寸5mm x 5mm、32引脚TQFN-EP封装，工作在-40°C至+85°C扩展级温度范围。

热插拔控制器的应用

发布日期:2005-12-21　作者:魏智 来源:国外电子元器件

  “热插拔”是指将板卡从加有电源的主机（背板、服务器等）上插入或拔出，主要应用在基站、磁盘冗余阵列（RAID）、远程接入服务器、网络路由路、网络交换器以及ISDN等系统。当板卡插入主机时，主机已处于稳态工作状态，所有电容均被充满电，而待插入的电路板是不带电的，板卡上的电容没有电荷，因此，当板卡与主机背后板接触时，由于板卡上的电容的充电而将从主机电源吸入较大的瞬态电流；同样，当把带电的板卡拔出主机时，板卡上旁路电容的放电在板卡与带电背后板之间形成了一条低阻通路，也将产生较大的瞬态电流。较大的电流会导致连接器、电路元件、电路板金属连线（迹线）等部件或器件的损坏，也可能使背板电源出现瞬时跌落，从而导致系复位。目前，针对上述应用新推出的热插拔保护器件有许多，Maxim公司的 MAX4273系列产生就具有双速/双电平检测功能，可为热插拔应用提供一套有效的控制和保护解决方案。
1 MAX4273的内部结构与功能
    MAX4273的内部电路如图1所示，它包括：电荷泵、低速比较器、高速比较器、欠压/过压检测电路、逻辑控制器等。电何泵用于外部N沟道MOSFEY的栅极提供驱动电压，低速比较器和高速比较器用于提供双速/双电平过载或故障电流检测，低速比较器的响应时间由外部电容器设置，可设置范围从20μs至几秒，电压检测门限固定为50mV，对于幅度较低的瞬态过载电流，低速比较器没有响应，不受电源电压微小波动以及噪声的影响。当器件检测到过载电流时间超出所设置的响应时间时，则认为系统发生故障，这时MOSFET的栅极开始缓慢放电，最终将MOSFET断开，放电速率由N沟道MOSFET的栅极电容和外接电容决定。高速比较器的响应时间固定为 350ns。电压检测门限可由外部电路RTH设置。可设置范围为50mV至750mV，一旦检测到较大幅值的故障电流高速比较器，将直接迅速断开 MOSFET，一般高速比较器的电压检测门限应高于低速比较器的电压检测门限，以用于处理突发故障。欠压检测电路用于检测输入电压（VIN）是否高于欠压锁存输出（UVLO）门限（最小值2.25V），如果VIN>VUVLO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VIN>VUVLO并到达150ms、同时VON>0.6V、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100μA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70μA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1kΩ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
IRF7413
11mΩ、8SO、30V
国际整流器公司

IRF7401
22mΩ、8SO、20V
IRL3502S
6mΩ、D2PAK、20V
MMSF3300
20mΩ、8SO、30V
摩托罗拉公司
www.mot-
MMSF5N02H
30mΩ、8SO、20V
MTB60N05H
14mΩ、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1.2～1.5倍。高速比较器的门限电压应为固定的220mV或50mV～4750mV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（mΩ）
低速比较器过流检测门限（A）
快速比较器故障电流门限（A）
10
5
5～75
50
1
1～15
100
0.5
0.5～7.5
    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50mV～750mV，对应的电阻值范围为5k～75kΩ，RTH（kΩ）=VTH.FC（mV） /10。注意，当200Ω<RTH<5kΩ时，高速比较器门限低于50mV，此时低速比较器操作失效，因此，不应选择200Ω～5kΩ范围内的RTH。
    b.启动时间设置
    图3中的CTON决定了MAX4273所允许的最大启动时间，默认值（CTON 引脚浮空）为μs，启动时间为tON(ms)=0.31xCTON(nF)，选择CTON时应使tON足够大，以保证在启动时间内MOSFET具有足够的栅极驱动能力并使负载电容被完全充电。