熱插拔控制器的應用

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

遠程接入服務器、網絡路由路、網絡交換器以及ISDN等系統。當板卡插入主機時,主機已處于穩態工作狀態,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,當板卡與主機背后板接觸時,由于板卡上的電容的充電而將從主機電源吸入較大的瞬態電流;同樣,當把帶電的板卡拔出主機時,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,也將產生較大的瞬態電流。較大的電流會導致連接器、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瞬時跌落,從而導致系復位。目前,針對上述應用新推出的熱插拔保護器件有許多,Maxim公司的MAX4273系列產生就具有雙速/雙電平檢測功能,可為熱插拔應用提供一套有效的控制和保護解決方案。

1 MAX4273的內部結構與功能

??? MAX4273的內部電路如圖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的柵極提供驅動電壓,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,低速比較器的響應時間由外部電容器設置,可設置范圍從20μs至幾秒,電壓檢測門限固定為50mV,對于幅度較低的瞬態過載電流,低速比較器沒有響應,不受電源電壓微小波動以及噪聲的影響。當器件檢測到過載電流時間超出所設置的響應時間時,則認為系統發生故障,這時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。高速比較器的響應時間固定為350ns。電壓檢測門限可由外部電路RTH設置。可設置范圍為50mV至750mV,一旦檢測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門限應高于低速比較器的電壓檢測門限,以用于處理突發故障。欠壓檢測電路用于檢測輸入電壓（VIN）是否高于欠壓鎖存輸出（UVLO）門限（最小值2.25V）,如果VIN>VUVLO而延遲時間未達到150ms,則MAX4273將限制MOSFET的導通,以避免外部MOSFET柵極出現驅動不足,150ms延遲時間用于保證板卡完全插入主機背后板后VIN能夠達到穩定狀態,一旦VIN低于UVLO門限值,芯片將被復位,并初始化一次啟動時序。過壓檢測電路能夠保證在檢測到系統故障時,在MOSFET柵極電壓完全放電（電壓低于0.1V）后負載電壓低于0.1V之前,芯片不會重新啟動。新型MOSFET柵源電壓之間的額定電壓VGS加為限制,以保護MOSFET免于損壞。

2 MAX4273控制時序

??? 圖1中的電容CTON用于設置啟動周期,當VIN>VUVLO并到達150ms、同時VON>0.6V、芯片不能重試狀態時,控制器開啟。在啟動周期內低速比較器被禁止工作,MOSFET柵極驅動電流被限制在100μA以內,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載限流：第一種是通過控制MOSFET的柵極電壓使負載電流緩慢上升;第二種是通過調節外部限流電阻來限制負載電流。在啟動過程中,高速比較器是電流調節環路的組成部分,當負載電流高于檢測門限時,MOSFET的柵極電壓將以70μA的電流放電,當負載電流低于所允許的站限時,電荷泵再次導通,因此,負載電流將在快速比較器設置的門限值附近波動,上升或下降時間由高速比較器和電荷泵傳輸延遲時間確定,這時負載電流將呈現出20%的紋波,增大MOSFET柵極與GND之間的電容可降低紋波。啟動周期結束后,控制器輸入正常工作模式,MAX4273的狀態輸出引腳STAT輸出高電平,此時,如果低速比較器或高速比較器檢測到故障電流,STAT將變為低電平,輸出電壓通過LLMON與GND之間的內部1kΩ電阻放電,其故障響應時序如圖2所示。

3 熱插拔保護電路設計

??? 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,置于背板上時允許具有不同輸入電容的板卡（不帶熱插拔保護）在同一插槽進行帶電插拔。圖3電路可利用MAX4273內部的ON比較器監測外部元器件（如MOSFET）的溫度,當溫度超出預置門限時,ON比較器通過邏輯控制器斷開MOSFET。復位比較器對輸出電壓進行監測,以為微處理器提供復位控制。具體設計時需注意外部元件的選擇和有關參數的設置。

3.1 合理選擇外部元件

??? N溝道MOSFET應選擇具有低導通電阻（RDS（ON））的MOSFET,以使漏源之間在滿負荷負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,輸出電壓會隨板卡負載的變化而出現波動。表1列出了幾種MOSFET的推薦型號,供設計參考。

表1 MOSFET推薦型號：

??? 選擇限流電阻（RSENSE）時,應保證所允許的最大工作電流在限流電阻上產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為固定的220mV或50mV～4750mV之間調節,故障檢測電流一般設置為過載電流門限的4倍。表2列出了幾種RSENSE與限流電平所對應的值：

表2 限流電平與RSENSE：

??? a.快速比較器門限的設置

??? 快速比較器故障檢測門限由RTH確定,門限可調范圍為50mV～750mV,對應的電阻值范圍為5k～75kΩ,RTH（kΩ）=VTH.FC（mV）/10。注意,當200Ω

??? b.啟動時間設置

??? 圖3中的CTON決定了MAX4273所允許的最大啟動時間,默認值（CTON 引腳浮空）為μs,啟動時間為tON(ms)=0.31xCTON(nF),選擇CTON時應使tON足夠大,以保證在啟動時間內MOSFET具有足夠的柵極驅動能力并使負載電容被完全充電。