熱插拔控制器的應(yīng)用

“熱插拔”是指將板卡從加有電源的主機(jī)（背板、服務(wù)器等）上插入或拔出,主要應(yīng)用在基站、磁盤冗余陣列（RAID）、

遠(yuǎn)程接入服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)路由路、網(wǎng)絡(luò)交換器以及ISDN等系統(tǒng)。當(dāng)板卡插入主機(jī)時(shí),主機(jī)已處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài),所有電容均被充滿電,而待插入的電路板是不帶電的,板卡上的電容沒有電荷,因此,當(dāng)板卡與主機(jī)背后板接觸時(shí),由于板卡上的電容的充電而將從主機(jī)電源吸入較大的瞬態(tài)電流;同樣,當(dāng)把帶電的板卡拔出主機(jī)時(shí),板卡上旁路電容的放電在板卡與帶電背后板之間形成了一條低阻通路,也將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流。較大的電流會(huì)導(dǎo)致連接器、電路元件、電路板金屬連線（跡線）等部件或器件的損壞,也可能使背板電源出現(xiàn)瞬時(shí)跌落,從而導(dǎo)致系復(fù)位。目前,針對(duì)上述應(yīng)用新推出的熱插拔保護(hù)器件有許多,Maxim公司的MAX4273系列產(chǎn)生就具有雙速/雙電平檢測(cè)功能,可為熱插拔應(yīng)用提供一套有效的控制和保護(hù)解決方案。

1 MAX4273的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能

??? MAX4273的內(nèi)部電路如圖1所示,它包括：電荷泵、低速比較器、高速比較器、欠壓/過壓檢測(cè)電路、邏輯控制器等。電何泵用于外部N溝道MOSFEY的柵極提供驅(qū)動(dòng)電壓,低速比較器和高速比較器用于提供雙速/雙電平過載或故障電流檢測(cè),低速比較器的響應(yīng)時(shí)間由外部電容器設(shè)置,可設(shè)置范圍從20μs至幾秒,電壓檢測(cè)門限固定為50mV,對(duì)于幅度較低的瞬態(tài)過載電流,低速比較器沒有響應(yīng),不受電源電壓微小波動(dòng)以及噪聲的影響。當(dāng)器件檢測(cè)到過載電流時(shí)間超出所設(shè)置的響應(yīng)時(shí)間時(shí),則認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生故障,這時(shí)MOSFET的柵極開始緩慢放電,最終將MOSFET斷開,放電速率由N溝道MOSFET的柵極電容和外接電容決定。高速比較器的響應(yīng)時(shí)間固定為350ns。電壓檢測(cè)門限可由外部電路RTH設(shè)置?？稍O(shè)置范圍為50mV至750mV,一旦檢測(cè)到較大幅值的故障電流高速比較器,將直接迅速斷開MOSFET,一般高速比較器的電壓檢測(cè)門限應(yīng)高于低速比較器的電壓檢測(cè)門限,以用于處理突發(fā)故障。欠壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)輸入電壓（VIN）是否高于欠壓鎖存輸出（UVLO）門限（最小值2.25V）,如果VIN>VUVLO而延遲時(shí)間未達(dá)到150ms,則MAX4273將限制MOSFET的導(dǎo)通,以避免外部MOSFET柵極出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)不足,150ms延遲時(shí)間用于保證板卡完全插入主機(jī)背后板后VIN能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),一旦VIN低于UVLO門限值,芯片將被復(fù)位,并初始化一次啟動(dòng)時(shí)序。過壓檢測(cè)電路能夠保證在檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí),在MOSFET柵極電壓完全放電（電壓低于0.1V）后負(fù)載電壓低于0.1V之前,芯片不會(huì)重新啟動(dòng)。新型MOSFET柵源電壓之間的額定電壓VGS加為限制,以保護(hù)MOSFET免于損壞。

2 MAX4273控制時(shí)序

??? 圖1中的電容CTON用于設(shè)置啟動(dòng)周期,當(dāng)VIN>VUVLO并到達(dá)150ms、同時(shí)VON>0.6V、芯片不能重試狀態(tài)時(shí),控制器開啟。在啟動(dòng)周期內(nèi)低速比較器被禁止工作,MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電流被限制在100μA以內(nèi),且隨著棚極電壓的升高而降低。MAX4273可通過以下兩條途徑提供負(fù)載限流：第一種是通過控制MOSFET的柵極電壓使負(fù)載電流緩慢上升;第二種是通過調(diào)節(jié)外部限流電阻來限制負(fù)載電流。在啟動(dòng)過程中,高速比較器是電流調(diào)節(jié)環(huán)路的組成部分,當(dāng)負(fù)載電流高于檢測(cè)門限時(shí),MOSFET的柵極電壓將以70μA的電流放電,當(dāng)負(fù)載電流低于所允許的站限時(shí),電荷泵再次導(dǎo)通,因此,負(fù)載電流將在快速比較器設(shè)置的門限值附近波動(dòng),上升或下降時(shí)間由高速比較器和電荷泵傳輸延遲時(shí)間確定,這時(shí)負(fù)載電流將呈現(xiàn)出20%的紋波,增大MOSFET柵極與GND之間的電容可降低紋波。啟動(dòng)周期結(jié)束后,控制器輸入正常工作模式,MAX4273的狀態(tài)輸出引腳STAT輸出高電平,此時(shí),如果低速比較器或高速比較器檢測(cè)到故障電流,STAT將變?yōu)榈碗娖?輸出電壓通過LLMON與GND之間的內(nèi)部1kΩ電阻放電,其故障響應(yīng)時(shí)序如圖2所示。

3 熱插拔保護(hù)電路設(shè)計(jì)

??? 熱插拔控制器可象圖3那樣放置在板卡上或象圖4那樣放置在背板上,置于背板上時(shí)允許具有不同輸入電容的板卡（不帶熱插拔保護(hù)）在同一插槽進(jìn)行帶電插拔。圖3電路可利用MAX4273內(nèi)部的ON比較器監(jiān)測(cè)外部元器件（如MOSFET）的溫度,當(dāng)溫度超出預(yù)置門限時(shí),ON比較器通過邏輯控制器斷開MOSFET。復(fù)位比較器對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),以為微處理器提供復(fù)位控制。具體設(shè)計(jì)時(shí)需注意外部元件的選擇和有關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

3.1 合理選擇外部元件

??? N溝道MOSFET應(yīng)選擇具有低導(dǎo)通電阻（RDS（ON））的MOSFET,以使漏源之間在滿負(fù)荷負(fù)載下具有較低的壓差,從而降低MOSFET的功率損耗。如果RDS（ON）較大,輸出電壓會(huì)隨板卡負(fù)載的變化而出現(xiàn)波動(dòng)。表1列出了幾種MOSFET的推薦型號(hào),供設(shè)計(jì)參考。

表1 MOSFET推薦型號(hào)：

??? 選擇限流電阻（RSENSE）時(shí),應(yīng)保證所允許的最大工作電流在限流電阻上產(chǎn)生的壓降高于低速比較器的過載電壓門限（50mV）,通常過載電流設(shè)置為最大工作電流的1.2～1.5倍。高速比較器的門限電壓應(yīng)為固定的220mV或50mV～4750mV之間調(diào)節(jié),故障檢測(cè)電流一般設(shè)置為過載電流門限的4倍。表2列出了幾種RSENSE與限流電平所對(duì)應(yīng)的值：

表2 限流電平與RSENSE：

??? a.快速比較器門限的設(shè)置

??? 快速比較器故障檢測(cè)門限由RTH確定,門限可調(diào)范圍為50mV～750mV,對(duì)應(yīng)的電阻值范圍為5k～75kΩ,RTH（kΩ）=VTH.FC（mV）/10。注意,當(dāng)200Ω

??? b.啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置

??? 圖3中的CTON決定了MAX4273所允許的最大啟動(dòng)時(shí)間,默認(rèn)值（CTON 引腳浮空）為μs,啟動(dòng)時(shí)間為tON(ms)=0.31xCTON(nF),選擇CTON時(shí)應(yīng)使tON足夠大,以保證在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)MOSFET具有足夠的柵極驅(qū)動(dòng)能力并使負(fù)載電容被完全充電。