探索MAX5913A/MAX5914A：+48V 四路熱插拔控制器在PoE中的應用

在當今的網絡通信和電信領域，Power-over-Ethernet（PoE）技術的應用越來越廣泛，它能夠在以太網上同時傳輸數據和電力，為網絡設備的部署和管理帶來了極大的便利。MAX5913A/MAX5914A作為Maxim公司推出的+48V四路熱插拔控制器，為PoE系統提供了強大而可靠的解決方案。

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一、產品概述

MAX5913A/MAX5914A是一款四路熱插拔控制器，能夠獨立控制四個外部n溝道開關，實現從單一VCC電源線對系統負載進行熱插拔操作。這意味著在不中斷網絡運行的情況下，用戶可以安全地插入和移除電力設備，大大提高了系統的可維護性和靈活性。其工作電源電壓范圍在+35V至+72V之間，適用于Power-Over-Media-Dependent Interface（MDI）等多種應用場景。

二、產品特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持+35V至+72V的寬輸入電壓范圍，能夠適應不同的電源環境，為系統設計提供了更大的靈活性。

2. 符合IEEE 802.3af標準

確保與PoE標準兼容，能夠與各種符合標準的網絡設備無縫對接。

3. 四路獨立電源開關控制器

每個通道都可以獨立控制，實現對多個負載的精確管理。

4. 開路檢測器

能夠實時檢測負載是否開路，當檢測到開路時，及時關閉相應的開關，保護系統安全。

5. 片上電荷泵

用于驅動外部n溝道FET，提供足夠的驅動能力，確保開關的可靠動作。

6. 電流檢測功能

通過外部電阻實現電流檢測，能夠精確監測負載電流，為系統的保護和控制提供依據。

7. 折返式電流限制

當負載電流超過設定的閾值時，控制器會自動降低電流限制，減少外部功率FET在輸出過載和短路情況下的功耗，提高系統的可靠性。

8. +32V輸入欠壓鎖定

當VCC電壓低于+32V時，FET不會開啟，防止在低電壓下設備異常工作。

9. 片上+12V、100mA電壓繼電器驅動器

能夠驅動低電壓+3.3V繼電器，為系統的控制和保護提供更多的選擇。

三、電氣特性

1. 電源供應

• 模擬電源電壓（VCC）：測量范圍為35V至72V，確保在不同的電源環境下正常工作。
• 模擬電源電流（IS）：在不同的溫度和電壓條件下，電流范圍有所不同，能夠滿足系統的功耗需求。
• 數字電源電壓（VDD）：范圍為2.5V至3.7V，為數字電路提供穩定的電源。
• 數字電源電流（IDD）：當所有邏輯輸出為高且RTIM未連接時，電流范圍為1.1mA至3mA。

2. 反饋輸入和電流檢測

• 輸出檢測偏置電流（IFP）：當VOUT_等于VCC時，電流為2μA。
• 初始反饋電壓（VFB_S）：折返電路開始降低電流限制值的電壓為18V。
• 電流限制閾值電壓（VSC）：在VOUT > VFB_S時，RSENSE上的最大?V為125mV至160mV。
• 折返電壓（VFLBK）：在VOUT = 0V時，RSENSE上的最大?V為42mV至54mV。
• 快速放電閾值（VFC）：范圍為360mV至480mV。
• 開關導通閾值（VSWON）：當開關完全導通時，VCC - VOUT的最大值為1.2V至1.8V。
• 開關導通比較器遲滯（VSWON_H）：為160mV。

3. MOSFET驅動器

• 柵極過驅動電壓（VGS）：當開關完全導通時，VGATE - VCC的范圍在不同溫度下有所不同，確保MOSFET能夠充分導通。
• 柵極充電電流（IGATE）：當VGATE = 0V時，電流為7μA至13μA。
• 柵極放電電流（IGATE,DIS）：在不同條件下，電流值有所不同，能夠快速放電，實現開關的快速關斷。
• 源極 - 柵極鉗位電壓（VSGZ）：當VOUT_ = 0V且向GATE_注入30mA電流時，電壓為14V至18V。

4. 開路檢測器

• 開路電流閾值電壓（VOC）：檢測開路的RSENSE上的最小?V為1.5mV至4.5mV。
• 開路檢測延遲（tOC）：范圍為450ms至1350ms。
• 消抖延遲（tLPFD）：當（VCSP_ - VDRAIN__） < VOC時，延遲為106ms至302ms。

5. 繼電器驅動器

• 最大低電壓（MAX5913A）：當RLYON為高且IRLYD_ = 100mA時，VRLOW為0.5V。
• 繼電器上拉電流（MAX5914A）：當RLYON為高且VRLYD_ = 0V時，IRPLUP為0.3mA至1.3mA。
• 鉗位二極管電壓（VRCLAMP）：當向RLYD注入100mA電流時，VRLYD - VRLY為2V。
• 繼電器輸出泄漏電流：當RLYON為低且VRLYD = VRLY時，電流為1μA。

6. 時序

• 短路和啟動定時器（tO）：通過連接不同阻值的電阻到RTIM，可以設置不同的tO值，范圍從3.2ms至180ms。
• 自動重試占空比（DC）：可以通過設置DC引腳的電平來調整自動重試的占空比，分別為1%、2%或4%。
• 端口導通延遲（tON_DEL）：當VON = 3.3V時，延遲為12.8ms至38.4ms。
• 繼電器關斷延遲（tOFF_DEL）：在RLYON_變低后，延遲為1.6ms至4.8ms。

7. 數字接口

• DC引腳輸入高電壓（VIH_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時，為0.7 x VDD。
• DC引腳輸入低電壓（VIL_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時，為0.3 x VDD。
• DC引腳輸入阻抗（RIN_DC）：為1kΩ。
• 邏輯輸入高電壓（VIH）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時，為0.8 x VDD。
• 邏輯輸入低電壓（VIL）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時，為0.3 x VDD。
• 邏輯輸入泄漏電流：為1μA。
• FAULT輸出低電壓（VFL）：當ISINK = 4mA時，為0.4V。
• FAULT高輸入泄漏電流：為1μA。
• 邏輯輸出高電壓（VOH）：當STAT_輸出源出0.5mA時，為VDD - 0.4mV。
• 邏輯輸出低電壓（VOL）：當STAT_輸出吸入0.5mA時，為0.4V。

四、引腳描述

MAX5913A/MAX5914A共有44個引腳，每個引腳都有其特定的功能，以下是一些重要引腳的介紹：

1. FAULT

有源低故障輸出，當任何一個通道檢測到故障時，該引腳輸出低電平。

2. STAT1 - STAT4

狀態輸出，根據STATOUT引腳的狀態，可指示Power-OK或Port-OC狀態。

3. CSP1 - CSP4

電流檢測正輸入，連接到VCC，并在CSP_和DRAIN_之間放置電流檢測電阻。

4. DRAIN1 - DRAIN4

MOSFET漏極電流檢測負輸入，連接到功率MOSFET的漏極。

5. OUT1 - OUT4

MOSFET源極輸出電壓檢測，通過100Ω串聯電阻連接到功率MOSFET的源極。

6. GATE1 - GATE4

MOSFET柵極驅動器輸出，調節柵極驅動電壓以完全導通功率n溝道MOSFET。

7. VRLY

繼電器電源電壓輸入，參考DGND。

8. RLYD1 - RLYD4

繼電器驅動輸出，MAX5913A的RLYD_在繼電器驅動器啟用時吸入100mA，MAX5914A的RLYD_在繼電器驅動器啟用時源出1mA。

9. DGND

數字地，所有邏輯電壓都參考DGND。

10. AGND

模擬地，所有模擬電壓都參考AGND。

11. VCC

模擬電源，連接到+35V至+72V的電源，當VCC < VUVLO時，UVLO電路會關閉MOSFET開關和繼電器。

12. OCEN

開路檢測器使能輸入，高電平啟用開路檢測器，低電平禁用。

13. STATOUT

狀態輸出多路復用器（MUX）控制輸入，控制STAT_輸出的信號。

14. RTRYEN

自動重試使能輸入，高電平啟用自動重試，低電平啟用開關鎖存關閉模式。

15. DC

占空比編程輸入，設置過流條件鎖定開關后的最小關斷時間。

16. RLYON1 - RLYON4

繼電器驅動器控制輸入，高電平啟用RLYD，低電平關閉相應通道的MOSFET開關并禁用RLYD。

17. ON1 - ON4

MOSFET開關控制輸入，高電平啟用GATE_以打開MOSFET開關，RLYON_必須為高才能啟用開關。

18. RTIM

定時振蕩器頻率設置輸入，通過連接2kΩ至40kΩ的電阻到DGND來設置最大連續過流時間tO。

19. VDD

數字電源，通過1μF電容旁路到DGND。

五、工作原理

1. 開關和繼電器控制

通過ON_輸入可以控制相應的MOSFET開關的導通和關斷。當RLYON_為高且VCC > VUVLO超過25.6ms時，驅動ON_為高可以打開開關。驅動RLYON_為高會立即打開相應的繼電器，并在25.6ms延遲后激活對應的ON_輸入。驅動RLYON_為低會立即關閉開關，并在3.2ms延遲后關閉繼電器，確保繼電器在零電壓和零電流條件下動作，提高系統的可靠性。

2. 輸入電壓和UVLO

MAX5913A/MAX5914A的工作電源電壓范圍為+35V至+72V，VCC為模擬電路供電，并在啟動和正常運行期間持續監測。在VCC上升到VUVLO以上之前，所有MOSFET開關和繼電器驅動器都保持關閉狀態。當VCC下降到VUVLO - VUVLO,H以下時，所有MOSFET開關和繼電器驅動器會關閉。

3. 啟動過程

當滿足導通條件時，MAX5913A/MAX5914A通過一個恒定電流源IGATE（典型值為10μA）對外部MOSFET開關的柵極進行充電，緩慢打開開關。輸出電壓的上升斜率由連接到該節點的總柵極電容CGATE決定。如果輸出連接有電容負載，通過FET的總電流為(I = I{GATE} frac{C{L}}{C{GATE}} + I{L})，其中(C{L})是負載電容，(I{L})是啟動階段連接到輸出的任何負載所需的電流。當通過FET的電流達到編程的電流限制值時，內部電流限制電路會激活并調節FET電流為一個取決于VOUT的ILIM值。如果過流條件持續超過最大時間tO，開關會被鎖定關閉，GATE_會通過1mA下拉電流放電到地。如果啟用了自動重試功能，開關會在等待一段時間tOFF后再次打開，tOFF由編程的占空比決定。啟動后，內部電荷泵提供（VCC + 9V）的典型柵極過驅動電壓，以完全打開開關。當開關完全導通（開關兩端的電壓降≤1.5V）且開關不在電流限制狀態時，POK信號會被置位。

4. 電流檢測和調節

MAX5913A/MAX5914A使用兩個電壓比較器（雙電平檢測）來控制端口電流，通過檢測外部電流檢測電阻上的電壓降來實現。第一個比較器將檢測到的電壓與VSC閾值（典型值為142.5mV）進行比較，根據(R{SENSE} = V{SC} / I{MAX})選擇合適的檢測電阻，其中(I{MAX})是允許通過開關的最大電流。當達到(I_{MAX})時，折返式電流限制電路會根據VOUT調節電流限制。當VOUT接近零時，檢測電阻上的最大電壓降會降低到最小值（典型值為48mV），這有助于減少外部功率FET在輸出過載和短路情況下的功耗。第二個比較器的檢測閾值為3VSC，當出現瞬間電流峰值使外部FET過應力時，會激活一個15mA的柵極下拉電流，幫助調節更快地起作用。檢測電阻還用于檢測開路或低電流條件，典型閾值為3mV。

5. 開路檢測

MAX5913A/MAX5914A能夠檢測端口是否存在低電流或開路情況，并關閉相應的開關。開關打開且滿足POK條件后，開路檢測器會在900ms延遲后啟用。開路電壓閾值設置為電流檢測電阻上的3mV。通過驅動OCEN為高可以啟用所有四個端口的開路檢測器，驅動OCEN為低則禁用檢測器。當STATOUT為低時，可以從STAT_輸出讀取每個端口的開路標志，STAT_輸出高表示該端口因開路條件而被鎖定關閉。要重置鎖定狀態，需要將相應的ON_輸入拉低再拉高。

6. 輸出電壓檢測和Power-OK

MAX5913A/MAX5914A在外部MOSFET開關的源極檢測端口的輸出電壓，內部電路將輸出電壓與VCC進行比較，以確定FET是否完全導通。當((V{CC} - V{OUT}) leq 1.5V)時，滿足POK條件。內部電路還會監測VOUT，以確定電路進入電流限制狀態時的折返電流值。隨著輸出電壓的降低，電流限制值會減小，以限制FET的功耗。

7. 繼電器驅動器

MAX5913A/MAX5914A包含片上繼電器驅動器RLYD_，能夠吸入100mA電流。當RLYON_為高時，立即啟用繼電器驅動器，對應的ON_開關控制輸入會延遲25.6ms，以允許繼電器在零電壓條件下閉合。當RLYON_為低時，立即關閉相應的開關，并在3.2ms延遲后關閉繼電器驅動器，確保繼電器觸點在零電流條件下打開。MAX5913A的RLYD_極性與MAX5914A相反，MAX5913A的RLYON_輸入置位時，RLYD_向DGND吸入100mA電流；MAX5914A的RLYON_為高時，內部1mA電流源將RLYD_上拉到VDD。在RLYD和VRLY之間內部連接了一個100mA的鉗位二極管，以保護MAX5913A/MAX5914A免受繼電器線圈的感應沖擊。VRLY必須連接到高端繼電器電源電壓。

8. 可編程時序，RTIM

通過連接一個2kΩ至40kΩ的外部電阻從RTIM到DGND，可以設置內部振蕩器的頻率，tO和自動重試時間基于該頻率。計算公式為(t{O} = (R{RTIM} / 2kΩ) × 6.4ms)。如果RTIM未連接，內部電阻會將tO設置為標稱值6.4ms。

9. 自動重試和可編程占空比

MAX5913A/MAX5914A具有可調節占空比的自動重試功能。驅動RTRYEN為高可以啟用自動重試功能。當開關遇到過流時間超過tO時，開關會關閉，并保持關閉狀態tOFF，tOFF由DC這個三電平輸入編程。tOFF周期結束后，開關會自動再次打開。當端口遇到連續過載或短路情況時，開關會根據DC輸入狀態以1%、2%或4%的占空比反復打開和關閉。當RTRYEN為低時，自動重試功能禁用，開關出現故障時會關閉并保持鎖定關閉狀態。驅動相應的ON控制輸入為低可以重置鎖定狀態，將ON拉高可以打開開關。不過，MAX59