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5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2017-05-11 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文介紹5通道熱插拔電路,它可以同時(shí)處理順序接通的正負(fù)輸入電壓。其獨(dú)特的配置支持兩路沒有斷路器保護(hù)的負(fù)壓通道,以及由一個(gè)MAX5927A正電壓熱插拔控制器控制的3路正電源通道。提供的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,電路滿足5路電源所要求的負(fù)載供電和上電排序要求。
 
引言
 
本文介紹的5通道電路雖然只采用了一個(gè)MAX5927A 4通道熱插拔控制器,卻可以實(shí)現(xiàn)3路正電源和2路負(fù)電源的熱插拔功能。圖1電路滿足以下負(fù)載供電和上電排序要求:
 
  • 2A時(shí),Ch1 = +3.3V (電路在 ≥ 3A時(shí)斷電)
  • 1.6A時(shí),Ch2 = +5V (電路在 ≥ 2.4A時(shí)斷電)
  • 2A時(shí),Ch3 = +12V (電路在 ≥ 3A時(shí)斷電)
  • 150mA時(shí),Ch4 = -12V (沒有電路斷電動(dòng)作)
  • 50mA時(shí),Ch5 = -5V (沒有電路斷電動(dòng)作)
  • 啟動(dòng)順為:通道2 (+5V)和通道3 (+12V)在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖綍r(shí)立即接通。STAT2和STAT3在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖?0.8ms后,變?yōu)楦唠娖健?/li>
  • 通道1 (+3.3V)相對(duì)于通道2和通道3延遲11.8ms接通。通道1接通10.8ms后,STAT1變?yōu)楦唠娖健?/li>
  • 通道4 (-12V)和通道5 (-5V)相對(duì)于通道2和通道3延遲27.8ms接通。通道4和通道5接通10.8ms后,STAT4變?yōu)楦唠娖健?/li>
  • 鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤,所有通道將被關(guān)閉,直到低電平有效CARD_PRESENT進(jìn)入下一關(guān)斷和接通周期。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖1. 5通道熱插拔電路控制3路正電源和2路負(fù)電源
 
雖然延遲要求和故障管理是針對(duì)這一設(shè)計(jì)的,但可以改變這一延遲以滿足其他時(shí)序要求。如果需要,故障管理可以改為自動(dòng)重試模式。
 
熱插拔控制器選擇
 
之所以選擇MAX5927A,是由于它具有特殊的+15V絕對(duì)最大輸入電壓,而MAX5927是14V。如果12V供電電路采用了鏡像電路電感,斷路器過(guò)載時(shí)電路開路,使得12V電路可能出現(xiàn)供電電壓振鈴和過(guò)沖,那么這一電壓優(yōu)勢(shì)就顯得非常重要。
 
接通時(shí)序
 
電阻R36 (在IC引腳10)將每一通道的接通時(shí)間設(shè)置為10.8ms ±2.8ms。在此期間,MAX5927A的內(nèi)部低速比較器被禁止,使負(fù)載電容充電電流能夠達(dá)到通道1至通道3每一通道預(yù)設(shè)電流觸發(fā)值的兩倍,以滿足要求。在此期間,不需要觸發(fā)斷路器,負(fù)載電容很容易充電至最終值。在4kΩ和500kΩ之間調(diào)整R36,可以使啟動(dòng)延時(shí)設(shè)置在400µs (最小)到50ms (最大)之間的任意值。在這一啟動(dòng)時(shí)間的最后,STAT輸出從FALSE至TRUE的瞬變。STAT輸出為正,但也可以通過(guò)接地POL (引腳29)設(shè)置為負(fù)。
 
通過(guò)(R29 + R30) - C16時(shí)間常數(shù)將通道1相對(duì)于通道2和通道3延時(shí)11.8ms接通;可以增大C16以加大延時(shí)。通道1開始接通10.8ms后,STAT1變?yōu)楦唠娖健?/div>
 
通過(guò)(R29 + R31) - C17時(shí)間常數(shù)將通道4和通道5相對(duì)于通道2和通道3延時(shí)28ms接通;可以增大C17以加大延時(shí),或者減小R31,以縮短延時(shí)。通道4和通道5開始接通10.8ms后,STAT4變?yōu)楦唠娖健?/div>
 
MODE置位(開引腳28)以配置MAX5927A為上電排序模式。
 
輸出電壓擺率
 
所有通道輸出電壓擺率設(shè)置為約1V/ms,數(shù)值與負(fù)載電容(C11至C15)值無(wú)關(guān)??梢孕薷腃6至C10柵極電容值以改變擺率。擺率計(jì)算為ΔV/Δt = IGATE/CGATE。由于計(jì)算中并沒有包括FET柵極電容,因此,該方程并不是很精確。GATE1、GATE2和GATE3的柵極充電電流約為100µA。由于R10和R11電流的原因,Q4和Q5的柵極充電電流為30µA到50µA。負(fù)載電容充電電流可以計(jì)算為ICHARGE = CLOAD × ΔV/Δt。它由IGATE/CGATE = ICHARGE/CLOAD得出。電容C8至C10使通道1到通道3的輸出達(dá)到約1V/ms擺幅。沒有負(fù)載時(shí),C13至C15以大約0.5A的電流充電,直到達(dá)到滿幅輸出。如果沒有C8至C10,輸出以兩倍于上面計(jì)算電流觸發(fā)值的電流對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電。電容C6和C7為10nF,使通道4和通道5的擺幅大約為1V/ms。
 
斷路器門限
 
21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R7 = R9 = 8.3mΩ設(shè)置了通道1 (+3.3V)和通道3 (+12V)的限流值。默認(rèn)值乘以1.13以及R33 = R35 = 1.15kΩ,得到大約3.1A至3.8A的最終值。21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R8 = 10mΩ設(shè)置通道2 (+5V)限流值。默認(rèn)值乘以1.15以及R34 = 1.18kΩ,得到大約2.415A至3.625A的最終值。通過(guò)調(diào)整檢測(cè)電阻R7到R9以及ISET電阻R33到R35來(lái)設(shè)置其他的限流值??梢詮臄?shù)據(jù)資料提供的曲線中確定默認(rèn)乘數(shù)。限流斷路器不對(duì)低電流通道4 (-12V)和通道5 (-5V)提供保護(hù)。
 
內(nèi)部上拉把LATCH置為高電平,將MAX5927A配置為鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個(gè)出現(xiàn)故障,所有通道將被關(guān)斷,直到低電平有效CARD_PRESENT進(jìn)入下一關(guān)斷和接通周期。
 
負(fù)電壓通道4和通道5
 
MAX5927A設(shè)計(jì)用于控制正電壓電路。然而,從MAX5927A的GATE4輸出可以獲得負(fù)電壓通道Q4和Q5大約4.2V的柵極驅(qū)動(dòng),這一輸出由晶體管Q5和Q6以及電阻R4–R7進(jìn)行修改。
 
GATE4的柵極充電電流輸出是60µA至100µA,但是在對(duì)稱電路R4–Q7和R5-Q6中被分成30µA至50µA。GATE4的電壓可以比VIN4(3.3V)高5.3V,或者接通時(shí)≤+8.6V,關(guān)斷時(shí)接近0V。接通時(shí),VQ6(BASE) = VQ7(BASE) = 3.3V,VQ6(EMITTER) = VQ7(EMITTER) ≈ 3.9V,關(guān)斷時(shí)為0V。R4和R5上相等的壓降使得Q6和Q7均分電流。R6和R7上相等的電流在Q4和Q5上產(chǎn)生相等的柵極驅(qū)動(dòng)。關(guān)斷狀態(tài)下,GATE4 = 0V時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)為0V。Q4和Q5的關(guān)斷速度取決于流過(guò)R6至R7的柵極放電電流。
 
FET選擇
 
所有通道,除了+12V通道,采用了SOT23封裝的n通道MOSFET直通晶體管;每一FET原理圖列出了VGS = 4.5V和TJ = +25°C時(shí)的最大RDS(ON)。VGS(max) = 20V (Si9410)的MOSFET被用于+12V通道。
 
總結(jié)
 
電路滿足所有的負(fù)載和上電排序設(shè)計(jì)要求—處理3個(gè)正電壓和2個(gè)負(fù)電壓通道,具有合適的順序接通時(shí)序、大于所需最小值的過(guò)電流觸發(fā)點(diǎn),以及大約1V/ms的輸出擺率,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
 
+5V和+12V通道的+3.3V延時(shí) = 11.8ms (請(qǐng)參考圖2) 
 
+3.3V通道的-5V延時(shí) = 16.2ms (請(qǐng)參考圖3) 
 
-5V負(fù)載關(guān)斷時(shí)間 = 1ms (請(qǐng)參考圖4和圖5) 
 
-12V負(fù)載關(guān)斷時(shí)間 = 4ns (請(qǐng)參考圖6和圖7) 
 
-12V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖8) 
 
-12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 80mA (請(qǐng)參考圖9) 
 
-5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖10) 
 
-5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 55mA (請(qǐng)參考圖11) 
 
+3.3V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖12) 
 
+3.3V負(fù)載電容充電電流 ≈ 400mA (請(qǐng)參考圖12) 
 
3A負(fù)載+3.3V接通,不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖13) 
 
+3.3V斷路器在3.22A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖14) 
 
+5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請(qǐng)參考圖15) 
 
+5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖15) 
 
2.4A負(fù)載+5V接通,不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖16) 
 
+5V斷路器在2.87A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖17) 
 
+12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請(qǐng)參考圖18) 
 
3A負(fù)載+12V接通,不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖19) 
 
+12V斷路器在3.1A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖20) 
 
+5V在 ≈ 4A時(shí)啟動(dòng)短路電路(請(qǐng)參考圖21) 
 
+12V在 ≈ 5.7A時(shí)啟動(dòng)短路電路(請(qǐng)參考圖22) 
 
測(cè)試結(jié)果
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖2. +12V至+3.3V接通延時(shí),沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE(CARD_PRESENT), Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
 
注釋:+12VOUT和+3.3VOUT之間有11.8ms延時(shí)。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖3. +3.3V至-5V接通延時(shí),沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
 
注釋:+3.3VOUT和-5VOUT之間有16.2ms延時(shí)。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖4. -5V柵極相對(duì)于+3.3V<sub>GATE</sub>關(guān)斷,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = -5VGATE
 
注釋:-5V柵極關(guān)斷較慢;當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V,典型值)時(shí),F(xiàn)ET關(guān)斷。由此,正電壓通道關(guān)斷1.5ms至4ms后,-5V柵極完全關(guān)斷。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖5. -5V負(fù)載關(guān)斷,50mA負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V) 
 
注釋:雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-5V)沒有達(dá)到0V,-5V在1ms內(nèi)下降至零。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖6. -12V柵極關(guān)斷,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +12VGATE, Ch4 = -12VGATE
 
注釋:-12V柵極關(guān)斷較慢;當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V,典型值)時(shí),F(xiàn)ET關(guān)斷。由此,正電壓通道關(guān)斷1ms至4ms后,-12V柵極完全關(guān)斷。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖7. -12V負(fù)載關(guān)斷,150mA負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V) 
 
注釋:雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-12V)沒有達(dá)到0V,-12V輸入在4ms內(nèi)降到零。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖8. -12V接通波形Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V) 
 
注釋:接通順序,80Ω阻性負(fù)載 = 150mA。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖9. -12V接通波形,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V) 
 
注釋:IIN(PK) = 80mA,對(duì)輸出電容充電。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖10. -5V接通波形,100Ω阻性負(fù)載 = 50mA Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V) 
 
注釋:-5V擺率大約為1V/ms。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖11. -5V接通波形,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V) 
 
注釋:IIN(PK) = 55mA,對(duì)輸出電容充電。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖12. +3.3V接通波形,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V) 
 
注釋:IIN(PK) = 400mA,對(duì)輸出電容充電;+3.3V擺率大約為1V/ms。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖13. +3.3V接通波形,1.1Ω負(fù)載 = 3A Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖14. +3.3V過(guò)流關(guān)斷Ch1 = STAT1, Ch2 = VGATE (+3.3V), Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
 
注釋:IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為3.22A。*
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖15. +5V接通負(fù)載電容充電電流,沒有負(fù)載Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V) 

注釋:IIN(PK) = 500mA,對(duì)輸出電容充電。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖16. +5V接通電流,2.083Ω負(fù)載 = 2.4A Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖17. +5V過(guò)流關(guān)斷Ch1 = STAT2, Ch2 = VGATE (+5V), Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IOUT(+5V) 0.5A/div
 
注釋:IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為2.87A。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖18. +12V啟動(dòng)電流,沒有負(fù)載 Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)
 
注釋:IIN(+12Vpk) = 500mA,對(duì)輸出電容充電。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖19. +12V接通電流,4Ω負(fù)載 = 3A Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖20. +12V過(guò)流關(guān)斷Ch1 = STAT3, Ch2 = VGATE (+12V), Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
 
注釋:IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為3.1A。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖21. 短路電路的+5V啟動(dòng)電流Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VOUT, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = IIN(+5V) 
 
注釋:觸發(fā)時(shí)的4A負(fù)載電流。
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖22. 短路電路的+12V啟動(dòng)電流Ch1 = Q8BASE, Ch2 = VOUT, Ch3 = VGATE, Ch4 = IOUT
 
注釋:觸發(fā)時(shí)的5.7A負(fù)載電流。
 
測(cè)試PCB布板
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖23. 參考設(shè)計(jì)PCB元件布局
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖24. 頂層
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
圖25. 底層
 
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)
 
*注意,圖14、圖17和圖20使用了特殊的電流探針,只顯示了真值的72%。使用可調(diào)恒流負(fù)載測(cè)量斷路器電流,標(biāo)出了關(guān)斷時(shí)的點(diǎn)。
 
本文來(lái)源于Maxim。
 
 
 
 
 
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