基于IC的熱插拔保護電路應(yīng)用

電路上電或熱插拔時會產(chǎn)生很大啟動電流和電壓波動，這些現(xiàn)象將影響設(shè)備的正常工作，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的損害。傳統(tǒng)采用分立元件的保護電路具有可靠性低、維護成本高等缺點，本文介紹的基于IC的熱插拔保護電路在很少的外圍元件下可以實現(xiàn)更高安全性和更低的整體成本。?

　　為了滿足特殊應(yīng)用的要求，許多系統(tǒng)配置了ESD保護和抗浪涌電流、過流、欠壓、過壓等保護電路，有些保護電路與特殊的工業(yè)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，有些則符合特定的標(biāo)準(zhǔn)，如：UL、USB、IEEE、CSA或IEC。熱插拔電路主要用于保護設(shè)備或操作人員，一些電源內(nèi)部帶有可調(diào)節(jié)的限流功能，以避免在上電時損壞設(shè)備。一般的RAID以及電信設(shè)備都具有熱插拔保護，以便于改變電路板或磁盤驅(qū)動器。?

　　熱插拔電路的最低要求是提供浪涌電流限制，防止在大的容性負載加電時整個系統(tǒng)損壞。限流功能還有助于減小供電電源的尺寸，并防止在連接器接觸時產(chǎn)生電弧。其它熱插拔特性還包括：低等效串聯(lián)電阻、斷路器、狀態(tài)指示、雙插入點檢測和電源就緒指示。保護電路增加了元器件數(shù)量和系統(tǒng)成本，并延長了開發(fā)周期和系統(tǒng)測試時間。但是，另一方面，保護電路實現(xiàn)了以低成本減少了設(shè)備在運行過程中所存在的隱患，如設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓延誤工期、人員傷害而引發(fā)官司、設(shè)備替換，并減少了維修費用和技術(shù)維修人員的工資等。?

　　在系統(tǒng)中添加熱插拔電路后，減小了浪涌電流和主電源，可以采用更小的濾波電容，這樣彌補了增加成本的缺點。熱插拔電路為系統(tǒng)帶來的其它好處還有：較細的連線和電路板布線，可以采用廉價的小型連接器，電源通道上允許采用通用的小尺寸元件。?

　　最簡單的限流元件是保險絲，它可以單獨使用或與其它保護元件配合使用，由于保險絲可以有效地防止過流的沖擊，它們在系統(tǒng)中既是必須的(如UL標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定)，也是系統(tǒng)遇到災(zāi)難性故障時的最終防線。標(biāo)準(zhǔn)保險絲的主要缺陷是只能一次性使用，另外一種可替代的小型器件是多重保險絲，這種保險絲的物理尺寸可以根據(jù)流過其自身電流所產(chǎn)生的熱量而膨脹或縮短，多重保險絲的工作電壓范圍受溫度的限制，但它能夠自復(fù)位，這是相對于標(biāo)準(zhǔn)保險絲的最大優(yōu)點。?

　　普通熱插拔電路由電容、齊納管和FET構(gòu)成，如圖1所示。通過對連接在Q1柵、源極之間的電容C1充電達到限制浪涌電流的目的。如果上電期間C1放電，Q1的柵極與源極相當(dāng)于短路，Q1將維持開路。C1充電時，Vgs增大，Q1緩慢開啟。C1的大小和Q1的Vgs指標(biāo)確定了Q1的開啟時間和負載電容C2的充電時間。齊納管ZD1用于防止柵-源電壓超出其最大額定值。圖1中Vgs的最大值是±20V，不能承受24V的工業(yè)電源或48V的通信電源電壓。周期性地開關(guān)電源時，負載電容會放電，而C1保持有足夠的電能維持Q1導(dǎo)通，如果在這種狀況下接通電源，將有較大的浪涌電流流過負載，使得熱插拔保護電路的限流特性大打折扣。圖1電路的另一個不足是：限流功能只在上電時，并且C1放電后起才有效，否則，將無法在過流或短路時為系統(tǒng)提供保護，這也是采用保險絲的主要目的。?

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　　另外一種熱插拔電路采用PNP晶體管(Q1)和檢流電阻(R1)提供連續(xù)的電流檢測和限流功能，見圖2。上電時，電流通過R1和Q2流入負載，如果電流足夠大，在R1上產(chǎn)生的偏置電壓使Q1導(dǎo)通，則Q1通過降低Q2的柵源電壓制約Q2的導(dǎo)通過程。注意，利用一個如圖1中的齊納二極管可以增強Q2的柵源保護能力，防止Q2因柵源電壓超出其額定值或Q1的Vce超出額定值而損壞。該電路的最大好處是始終保持限流功能有效，但由于增加了電阻R1使系統(tǒng)功耗增大。另外，在-40℃至+85℃溫度變化范圍內(nèi)，隨著Q1 Vbe的變化，限流值將會改變±20%。圖1中的齊納管應(yīng)該具有足夠小以便保護晶體管，但是還要有足夠高的耐壓保證在整個負載電流范圍內(nèi)FET能夠完全導(dǎo)通，并且使導(dǎo)通電阻Rds(on)最小。?

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