具有上電超時(shí)功能的熱插拔控制器簡化了具有多個(gè)電源的熱插拔板

LTC?4212 是一款熱插拔控制器，其允許在帶電背板上安全地插入和拔出電路板。該器件具有 2.5V 至 16.5V 的電源范圍、帶浪涌電流限制的可編程軟啟動、自動重試或鎖存模式操作、用于外部 N 溝道 MOSFET 的高端驅(qū)動和雙電平過流故障保護(hù)。

與許多熱插拔控制器不同，LTC4212 并不直接監(jiān)視 MOSFET 的負(fù)載側(cè)。相反，LTC4212 與外部電源監(jiān)視器 IC 接口，或直接與開關(guān)穩(wěn)壓器的 PGOOD 引腳接口。這允許 LTC4212 監(jiān)視電路板上任意數(shù)量的電源。它具有上電超時(shí)功能，當(dāng)受監(jiān)控電源未在可編程超時(shí)周期內(nèi)上電時(shí)，該功能可將卡與背板電源斷開，并具有毛刺濾波器，用于在正常上電后抑制受監(jiān)控電源中的短期毛刺。

圖 1 示出了一個(gè)典型應(yīng)用，該應(yīng)用使用 LTC1727-2.5V 來監(jiān)視兩個(gè) LDO （LT1963） 的輸出和外部 N 溝道 MOSFET 源極 （負(fù)載） 上的 5V 輸出。

圖1.具有上電超時(shí)和毛刺濾波功能的熱插拔控制器。

上電超時(shí)功能

LTC4212 具有一種上電超時(shí)功能，該功能通過 3 個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)：PGI、PGT 和 PGF。PGI （或電源良好輸入） 引腳是一個(gè)高阻抗輸入引腳，通常連接到電源監(jiān)視器 IC （如 LTC1727）的 RST 或 COMPn 引腳，或一個(gè)或多個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 PGOOD 引腳。由于 RST、COMPn 和 PGOOD 引腳通常是漏極開路引腳，因此 LTC4212 只需將漏極開路引腳連接在一起即可監(jiān)視任意數(shù)量的電源。PGI引腳在監(jiān)視漏極開路引腳時(shí)需要一個(gè)上拉電阻（圖4中的R1）。

電源良好定時(shí)器

一個(gè)外部電容器 （CPGT） 從 PGT （電源就緒定時(shí)器） 引腳連接到地，設(shè)定上電超時(shí)周期，LTC4212 在該周期結(jié)束時(shí)對 PGI 引腳進(jìn)行采樣。超時(shí)周期為 1.81s/μF，假設(shè)采用理想電容器，則精度在 ±10% 以內(nèi)。電源良好定時(shí)器對C 進(jìn)行充電和放電PGT在 0.65V 至 0.95V 之間，使用 5μA 電流源 14 個(gè)周期來產(chǎn)生超時(shí)周期。如果采樣時(shí)PGI引腳小于1.236V，則PGT觸發(fā)電子斷路器（ECB）。這會導(dǎo)致GATE引腳立即被拉至地，以斷開電路板與背板電源的連接，并且FAULT引腳變?yōu)榈碗娖?，以指示ECB跳閘。

電源良好毛刺濾波器

另一個(gè)外部電容器 （CPGF） 從 PGF（電源良好濾波器）引腳連接到地，設(shè)置 PGI 引腳的毛刺濾波器的持續(xù)時(shí)間。正常上電后，毛刺濾波器使能，以抑制PGI引腳上的任何短期脈沖。CPGF只要PGI引腳為低電平，就由一個(gè)5μA上拉電流源充電。當(dāng)受監(jiān)控電源跌落失穩(wěn)壓時(shí)，PGI引腳變?yōu)榈碗娖?，VPGF開始加速。當(dāng)它升至1.236V以上時(shí)，毛刺濾波器觸發(fā)ECB。柵極引腳立即被拉至地，故障引腳變?yōu)榈碗娖健?/p>

電子斷路器

電子斷路器 （ECB） 可能會因過流故障、電源良好超時(shí)故障或毛刺濾波器故障而跳閘。當(dāng) ECB 跳閘時(shí)，GATE 引腳立即被拉至地，以斷開電路板與背板電源的連接。每當(dāng) ECB 跳閘時(shí)，F(xiàn)AULT 引腳都會被拉低。為了重新連接電路板，ON引腳必須保持低電平至少120μs，以復(fù)位ECB或V抄送必須低于2.2V，持續(xù)30μs以上。

過流保護(hù)

通過監(jiān)測外部檢測電阻兩端的電壓來檢測負(fù)載電流（R意義在圖 1 中）。上電期間，軟啟動電路將負(fù)載電流限制在 50mV/R意義.正常上電后，2個(gè)比較器FASTCOMP和SLOWCOMP監(jiān)視負(fù)載電流。如果負(fù)載電流超過 150mV/R，F(xiàn)ASTCOMP 會跳閘 ECB意義500ns 并保護(hù)外部 MOSFET 和負(fù)載免受快速和大過流條件的影響。如果負(fù)載電流超過 50mV/R，SLOWCOMP 會跳閘 ECB意義超過18μs。

典型應(yīng)用

圖 1 示出了 LTC1727-2.5 三通道電源監(jiān)視器，它提供了三個(gè)比較器來監(jiān)視 VCCA、VCC3 和 VCC25 引腳上的電壓。每個(gè)比較器在50μs內(nèi)響應(yīng)10%的過驅(qū)，響應(yīng)時(shí)間隨過驅(qū)而縮短。當(dāng)過驅(qū)為1%時(shí)，響應(yīng)減慢至150μs。對于VCC3和VCC25，每個(gè)比較器的最大跳變點(diǎn)為–5%，對于VCCA，每個(gè)比較器的最大跳變點(diǎn)隨R5和R6而變化。將R5設(shè)置為11.8k，將R6設(shè)置為3.01k，將VCCA比較器的跳變點(diǎn)設(shè)置為4.75V或5V–5%。當(dāng)三個(gè)受監(jiān)控電源中的任何一個(gè)低于–5%約60μs時(shí)，相應(yīng)的漏極開路輸出COMP3、COMP25或COMPA被拉低。在圖 1 中，所有三個(gè)漏極開路輸出均短接至 LTC4212 的 PGI 引腳，并共用一個(gè)上拉電阻器 R4。

LT?1963-2.5 和 LT1963-3.3 是快速瞬態(tài)響應(yīng) LDO 穩(wěn)壓器，能夠在 1.5V （+2%， –5.3%） 和 3.5V （±3%） 的電壓下分別提供 3.3A 的輸出電流。為了防止振蕩，需要10μF的最小輸出電容（ESR為3Ω以下），并且可能需要更大的電容來限制紋波或改善大瞬態(tài)負(fù)載下的瞬態(tài)響應(yīng)。

正常上電順序

圖2顯示了空載2.5V、3.3V和5V輸出的正常上電時(shí)序。當(dāng) V抄送上升到 2.2V 以上且 ON 引腳大于 1.316V，LTC4212 啟動第一個(gè)定時(shí)周期。一個(gè) 1μA 電流源為一個(gè)外部電容器 （C定時(shí)器） 從定時(shí)器引腳連接到地。當(dāng) V定時(shí)器升至1.236V以上，TIMER 引腳立即被拉至地，C定時(shí)器出院。啟動第二個(gè)定時(shí)周期并啟用 FASTCOMP。

圖2.正常上電順序（無負(fù)載）。

在第二個(gè)定時(shí)周期內(nèi)，LTC4212 中的軟起動電路利用 GATE 引腳來調(diào)節(jié) 50mV/RSENSE 的浪涌電流。2μA 電流源重新使能以對 CTIMER 充電。從第二個(gè)周期開始，GATE在大約7ms內(nèi)上升到最終值。線性穩(wěn)壓器的輸出在1ms內(nèi)上升。在第二個(gè)定時(shí)周期結(jié)束時(shí)（當(dāng)VTIMER再次升至1.236V以上時(shí)），軟啟動電路被禁用，一個(gè)10μA電流源繼續(xù)上拉GATE引腳。同時(shí)，SLOWCOMP 被使能，定時(shí)器引腳被拉回地，LTC4212 啟動電源就緒定時(shí)器。超時(shí)時(shí)，對PGI引腳進(jìn)行采樣。在圖 2 中，PGI 在超時(shí)之前就達(dá)到高電平 （>1.236V），電路板保持正常上電狀態(tài)。由于PGI引腳僅在超時(shí)時(shí)采樣，因此電源斜坡期間PGI引腳的任何瞬變都將被忽略。

圖3所示為2.5V和3.3V輸出負(fù)載1A時(shí)的正常上電時(shí)序。

圖3.帶負(fù)載上電。

帶故障序列的上電

圖4顯示了5V板電源輸出VCCA短路時(shí)的上電情況。在第二個(gè)定時(shí)周期中，柵極電壓最初上升到FET剛導(dǎo)通的程度。之后，由于軟啟動電路的作用，它將負(fù)載電流限制在50mV/RSENSE或大約7A，因此變平。VCC 背板電源驟降 0.5V，原因是互連中的 7A 電流流入 5V、10A 限量電源。在第二個(gè)周期結(jié)束時(shí)，軟啟動電路被一個(gè)10μA上拉電流源取代。這會使FET的柵極斜坡上升，負(fù)載電流上升，直到SLOWCOMP跳閘ECB。當(dāng)快速下拉電路被激活時(shí)，柵極電壓在1μs至2μs內(nèi)下拉。雜散電感導(dǎo)致 VCC 電源在負(fù)載電流端接時(shí)出現(xiàn)尖峰。當(dāng) ECB 跳閘時(shí)，電源良好定時(shí)器和毛刺濾波器被禁用。

圖4.上電時(shí)，5V 輸出短路至 GND。

如果任何LDO輸出短路至地，LDO中的短路保護(hù)可降低故障電流，并且電路板在第二個(gè)定時(shí)周期后不會閉鎖。如圖5所示，電源良好定時(shí)器在超時(shí)時(shí)對PGI引腳進(jìn)行采樣，并在PGI為低電平時(shí)觸發(fā)ECB。GATE引腳立即被拉至地，以斷開電路板與背板電源的連接。

圖5.上電時(shí)，3.3V輸出短路至GND。

圖6顯示了毛刺濾波器在正常上電后對20V輸出端5μs過載的響應(yīng)。LTC1727-2.5 中的比較器在 5V 電源或任何 LDO 輸出降至其下限閾值以下時(shí)將 PGI 降至低電平。毛刺濾波電容（CPGF） 在 PGI 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)由一個(gè) 5μA 上拉電流源充電。第一個(gè)PGF斜坡是由于20μs過載，但VPGF不會斜坡超過1.236V。第二個(gè)脈沖是5V線性穩(wěn)壓器從過載中恢復(fù)所需的時(shí)間的結(jié)果，并且足夠長V。PGF斜坡上升到1.236V以上，導(dǎo)致毛刺濾波器使ECB跳閘。GATE引腳立即被拉到地，以斷開電路板與背板電源的連接。如果PGF引腳接地，PGF引腳將永久保持在1.236V以下，并且毛刺濾波器被有效禁用。將 PGF 接地會導(dǎo)致 LTC4212 在正常上電之后忽略一種低 PGI 狀態(tài)。

圖6.毛刺過濾器操作。

與 RST 引腳接口

LTC4212 的 PGI 引腳可連接至 RST 引腳，而不是 LTC1727-2.5 的 COMPx 引腳。與 COMPn 引腳相比，RST 引腳延遲 200ms，必須調(diào)整 CPGT 以包括 200ms 延遲，電路板才能正常上電。此外，如果被監(jiān)控電源上的任何瞬變超過LTC1727-2.5中比較器的響應(yīng)時(shí)間，都將導(dǎo)致RST變?yōu)榈碗娖街辽?00ms。這會導(dǎo)致毛刺濾波器使 ECB 跳閘。

自動重試應(yīng)用程序

圖7顯示了一個(gè)應(yīng)用，該應(yīng)用在ECB因負(fù)載電源輸出短路而跳閘后自動嘗試為電路板上電。該電路使用 LTC1326-2.5 電源監(jiān)視器芯片，并將其 RST 輸出連接至 LTC4212 的 PGI 引腳。在所有監(jiān)控電壓上升到 LTC1326-2.5 中 VCCA、VCC3 和 VCC25 比較器的門限以上后，RST 信號變?yōu)楦唠娖?200ms。ON引腳短路至FAULT引腳，并由一個(gè)1MΩ電阻（RAUTO）上拉至VCC。從RAUTO下端連接到地的2μF電容（CAUTO）設(shè)置了自動重試占空比。只要短路持續(xù)存在，LTC4212 就會重試。必須選擇RAUTO和CAUTO以保持較低的占空比，以防止外部N溝道MOSFET過熱。

圖7.自動重試應(yīng)用程序。

圖8顯示了5V輸出短路至地時(shí)的自動重試周期。SLOWCOMP在第二個(gè)計(jì)時(shí)周期后使歐洲央行跳閘。這會導(dǎo)致 FAULT 引腳被內(nèi)部 N 溝道 FET 拉低，CAUTO 被放電至地。GATE引腳立即被拉到地以斷開電路板的連接。請注意，在圖8中，時(shí)基設(shè)置使第一個(gè)和第二個(gè)時(shí)序周期顯示為單個(gè)尖峰。當(dāng)ON引腳低于其0.455V（典型值）的下限閾值超過120μs時(shí)，ECB復(fù)位。FAULT 引腳上的內(nèi)部 N 溝道 FET 關(guān)斷，RAUTO 開始向 VCC 緩慢充電。

圖8.5V 輸出短路時(shí)自動重試。

當(dāng) ON 引腳上升到其 1.316V 的上限門限以上時(shí)，LTC4212 嘗試重新連接電路板并開始第一個(gè)定時(shí)周期。如圖8所示，在5V輸出端出現(xiàn)死短路時(shí)，當(dāng)軟啟動電路被禁用并且一個(gè)10μA上拉電流源連接到GATE引腳時(shí)，ECB在第二個(gè)定時(shí)周期后跳閘。重復(fù)整個(gè)循環(huán)，直到短路被移除。每個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間取決于在ON引腳的下限和上限閾值電壓之間對CAUTO充電所需的時(shí)間。當(dāng)RAUTO = 1MΩ和CAUTO = 2μF時(shí)，周期時(shí)間為800ms。開關(guān)導(dǎo)通約6ms，占空比為0.75%。

在第二個(gè)定時(shí)周期結(jié)束時(shí)，由于軟啟動電路的作用（將電流限制在50mV/RSENSE）和5V輸出端存在短路，GATE引腳約為3V。10μA 電流源需要幾毫秒才能使 3.3nF 的 GATE 引腳電容斜坡上升。因此，SLOWCOMP傾向于絆倒歐洲央行而不是FASTCOMP。

當(dāng)任一LDO的輸出短路上電時(shí)，LDO中的短路保護(hù)可降低故障電流。在電源良好超時(shí)周期結(jié)束時(shí)，由于短路，PGI引腳仍然很低。如圖9所示，如果過載不足以使SLOWCOMP和FASTCOMP跳閘，則外部N溝道MOSFET在每個(gè)自動重試周期中導(dǎo)通較長時(shí)間。當(dāng) RAUTO = 1MΩ 和 CAUTO = 2μF 時(shí)，占空比增加到 29%，導(dǎo)致 LT1963-2.5 LDO 在 25°C 的環(huán)境溫度下加熱至 106°C 的外殼溫度。 在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，需要更大的CAUTO值。Si4410DY MOSFET 由于其低 RDS（ON） 而不會明顯發(fā)熱。

圖9.LDO輸出短路時(shí)自動重試。

如果 LDO 輸出端的瞬態(tài)短路足夠長，導(dǎo)致 LTC1326-2.5 中的監(jiān)視比較器 （典型延遲為 13μs） 切換，則 RST 輸出將變?yōu)榈碗娖街辽?200ms。如圖 10 所示，電源良好毛刺濾波器觸發(fā) ECB 并啟動自動重試周期。

圖 10.由 2.5V 輸出的瞬態(tài)短路引起的自動重試。

結(jié)論

LTC4212 簡化了具有多個(gè)電源的熱插拔板的設(shè)計(jì)。電源 IC 或電源監(jiān)視器 IC （例如 RST、PGOOD 和 COMPn） 的狀態(tài)輸出通常是漏極開路輸出，可連接在一起并由 LTC4212 的 PGI 引腳進(jìn)行監(jiān)視。如果任何電源在編程的時(shí)間段內(nèi)無法上電，電源良好定時(shí)器會自動斷開卡與底板電源的連接。正常上電后，毛刺濾波器提供了一種檢測失調(diào)電源的方法，同時(shí)抑制持續(xù)時(shí)間短于可編程時(shí)間段的驟降。

審核編輯：郭婷