5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計

本文介紹的5通道電路雖然只采用了一個MAX5927A 4通道熱插拔控制器，卻可以實現(xiàn)3路正電源和2路負(fù)電源的熱插拔功能。圖1電路滿足以下負(fù)載供電和上電排序要求：

2A時，Ch1 = +3.3V (電路在 ≥ 3A時斷電)

1.6A時，Ch2 = +5V (電路在 ≥ 2.4A時斷電)

2A時，Ch3 = +12V (電路在 ≥ 3A時斷電)

150mA時，Ch4 = -12V (沒有電路斷電動作)

50mA時，Ch5 = -5V (沒有電路斷電動作)

啟動順為：通道2 (+5V)和通道3 (+12V)在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖綍r立即接通。STAT2和STAT3在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖?0.8ms后，變?yōu)楦唠娖健?/p>

通道1 (+3.3V)相對于通道2和通道3延遲11.8ms接通。通道1接通10.8ms后，STAT1變?yōu)楦唠娖健?/p>

通道4 (-12V)和通道5 (-5V)相對于通道2和通道3延遲27.8ms接通。通道4和通道5接通10.8ms后，STAT4變?yōu)楦唠娖健?/p>

鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個出現(xiàn)錯誤，所有通道將被關(guān)閉，直到低電平有效CARD_PRESENT進入下一關(guān)斷和接通周期。

圖1. 5通道熱插拔電路控制3路正電源和2路負(fù)電源

雖然延遲要求和故障管理是針對這一設(shè)計的，但可以改變這一延遲以滿足其他時序要求。如果需要，故障管理可以改為自動重試模式。

熱插拔控制器選擇

之所以選擇MAX5927A，是由于它具有特殊的+15V絕對最大輸入電壓，而MAX5927是14V。如果12V供電電路采用了鏡像電路電感，斷路器過載時電路開路，使得12V電路可能出現(xiàn)供電電壓振鈴和過沖，那么這一電壓優(yōu)勢就顯得非常重要。

接通時序

電阻R36 (在IC引腳10)將每一通道的接通時間設(shè)置為10.8ms ±2.8ms。在此期間，MAX5927A的內(nèi)部低速比較器被禁止，使負(fù)載電容充電電流能夠達到通道1至通道3每一通道預(yù)設(shè)電流觸發(fā)值的兩倍，以滿足要求。在此期間，不需要觸發(fā)斷路器，負(fù)載電容很容易充電至最終值。在4kΩ和500kΩ之間調(diào)整R36，可以使啟動延時設(shè)置在400μs (最小)到50ms (最大)之間的任意值。在這一啟動時間的最后，STAT輸出從FALSE至TRUE的瞬變。STAT輸出為正，但也可以通過接地POL (引腳29)設(shè)置為負(fù)。

通過(R29 + R30) - C16時間常數(shù)將通道1相對于通道2和通道3延時11.8ms接通；可以增大C16以加大延時。通道1開始接通10.8ms后，STAT1變?yōu)楦唠娖健?/p>

通過(R29 + R31) - C17時間常數(shù)將通道4和通道5相對于通道2和通道3延時28ms接通；可以增大C17以加大延時，或者減小R31，以縮短延時。通道4和通道5開始接通10.8ms后，STAT4變?yōu)楦唠娖健?/p>

MODE置位(開引腳28)以配置MAX5927A為上電排序模式。

輸出電壓擺率

所有通道輸出電壓擺率設(shè)置為約1V/ms，數(shù)值與負(fù)載電容(C11至C15)值無關(guān)。可以修改C6至C10柵極電容值以改變擺率。擺率計算為ΔV/Δt = IGATE/CGATE。由于計算中并沒有包括FET柵極電容，因此，該方程并不是很精確。GATE1、GATE2和GATE3的柵極充電電流約為100μA。由于R10和R11電流的原因，Q4和Q5的柵極充電電流為30μA到50μA。負(fù)載電容充電電流可以計算為ICHARGE = CLOAD × ΔV/Δt。它由IGATE/CGATE = ICHARGE/CLOAD得出。電容C8至C10使通道1到通道3的輸出達到約1V/ms擺幅。沒有負(fù)載時，C13至C15以大約0.5A的電流充電，直到達到滿幅輸出。如果沒有C8至C10，輸出以兩倍于上面計算電流觸發(fā)值的電流對負(fù)載電容進行充電。電容C6和C7為10nF，使通道4和通道5的擺幅大約為1V/ms。

斷路器門限

21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R7 = R9 = 8.3mΩ設(shè)置了通道1 (+3.3V)和通道3 (+12V)的限流值。默認(rèn)值乘以1.13以及R33 = R35 = 1.15kΩ，得到大約3.1A至3.8A的最終值。21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R8 = 10mΩ設(shè)置通道2 (+5V)限流值。默認(rèn)值乘以1.15以及R34 = 1.18kΩ，得到大約2.415A至3.625A的最終值。通過調(diào)整檢測電阻R7到R9以及ISET電阻R33到R35來設(shè)置其他的限流值?？梢詮?a href="http://www.ttokpm.com/soft/" target="_blank">數(shù)據(jù)資料提供的曲線中確定默認(rèn)乘數(shù)。限流斷路器不對低電流通道4 (-12V)和通道5 (-5V)提供保護。

內(nèi)部上拉把LATCH置為高電平，將MAX5927A配置為鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個出現(xiàn)故障，所有通道將被關(guān)斷，直到低電平有效CARD_PRESENT進入下一關(guān)斷和接通周期。

負(fù)電壓通道4和通道5

GATE4的柵極充電電流輸出是60μA至100μA，但是在對稱電路R4–Q7和R5-Q6中被分成30μA至50μA。GATE4的電壓可以比VIN4(3.3V)高5.3V，或者接通時≤+8.6V，關(guān)斷時接近0V。接通時，VQ6(BASE) = VQ7(BASE) = 3.3V，VQ6(EMITTER) = VQ7(EMITTER) ≈ 3.9V，關(guān)斷時為0V。R4和R5上相等的壓降使得Q6和Q7均分電流。R6和R7上相等的電流在Q4和Q5上產(chǎn)生相等的柵極驅(qū)動。關(guān)斷狀態(tài)下，GATE4 = 0V時的柵極驅(qū)動為0V。Q4和Q5的關(guān)斷速度取決于流過R6至R7的柵極放電電流。

FET選擇

所有通道，除了+12V通道，采用了SOT23封裝的n通道MOSFET直通晶體管；每一FET原理圖列出了VGS = 4.5V和TJ = +25°C時的最大RDS(ON)。VGS(max) = 20V (Si9410)的MOSFET被用于+12V通道。

總結(jié)

電路滿足所有的負(fù)載和上電排序設(shè)計要求—處理3個正電壓和2個負(fù)電壓通道，具有合適的順序接通時序、大于所需最小值的過電流觸發(fā)點，以及大約1V/ms的輸出擺率，達到了設(shè)計要求。

+5V和+12V通道的+3.3V延時 = 11.8ms (請參考圖2)

+3.3V通道的-5V延時 = 16.2ms (請參考圖3)

-5V負(fù)載關(guān)斷時間 = 1ms (請參考圖4和圖5)

-12V負(fù)載關(guān)斷時間 = 4ns (請參考圖6和圖7)

-12V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖8)

-12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 80mA (請參考圖9)

-5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖10)

-5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 55mA (請參考圖11)

+3.3V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖12)

+3.3V負(fù)載電容充電電流 ≈ 400mA (請參考圖12)

3A負(fù)載+3.3V接通，不觸發(fā)斷路器(請參考圖13)

+3.3V斷路器在3.22A時關(guān)斷(請參考圖14)

+5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請參考圖15)

+5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖15)

2.4A負(fù)載+5V接通，不觸發(fā)斷路器(請參考圖16)

+5V斷路器在2.87A時關(guān)斷(請參考圖17)

+12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請參考圖18)

3A負(fù)載+12V接通，不觸發(fā)斷路器(請參考圖19)

+12V斷路器在3.1A時關(guān)斷(請參考圖20)

+5V在 ≈ 4A時啟動短路電路(請參考圖21)

+12V在 ≈ 5.7A時啟動短路電路(請參考圖22)

測試結(jié)果

圖2. +12V至+3.3V接通延時，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE(CARD_PRESENT), Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注釋：+12VOUT和+3.3VOUT之間有11.8ms延時。

圖3. +3.3V至-5V接通延時，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT

注釋：+3.3VOUT和-5VOUT之間有16.2ms延時。

圖4. -5V柵極相對于+3.3VGATE關(guān)斷，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = -5VGATE

注釋：-5V柵極關(guān)斷較慢；當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時，F(xiàn)ET關(guān)斷。由此，正電壓通道關(guān)斷1.5ms至4ms后，-5V柵極完全關(guān)斷。

圖5. -5V負(fù)載關(guān)斷，50mA負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注釋：雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-5V)沒有達到0V，-5V在1ms內(nèi)下降至零。

圖6. -12V柵極關(guān)斷，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +12VGATE, Ch4 = -12VGATE

注釋：-12V柵極關(guān)斷較慢；當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時，F(xiàn)ET關(guān)斷。由此，正電壓通道關(guān)斷1ms至4ms后，-12V柵極完全關(guān)斷。

圖7. -12V負(fù)載關(guān)斷，150mA負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注釋：雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-12V)沒有達到0V，-12V輸入在4ms內(nèi)降到零。

圖8. -12V接通波形

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注釋：接通順序，80Ω阻性負(fù)載 = 150mA。

圖9. -12V接通波形，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注釋：IIN(PK) = 80mA，對輸出電容充電。

圖10. -5V接通波形，100Ω阻性負(fù)載 = 50mA

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注釋：-5V擺率大約為1V/ms。

圖11. -5V接通波形，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注釋：IIN(PK) = 55mA，對輸出電容充電。

圖12. +3.3V接通波形，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)

注釋：IIN(PK) = 400mA，對輸出電容充電；+3.3V擺率大約為1V/ms。

圖13. +3.3V接通波形，1.1Ω負(fù)載 = 3A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)

圖14. +3.3V過流關(guān)斷

Ch1 = STAT1, Ch2 = VGATE (+3.3V), Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div

注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測得的觸發(fā)電流為3.22A。*

圖15. +5V接通負(fù)載電容充電電流，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)

注釋：IIN(PK) = 500mA，對輸出電容充電。

圖16. +5V接通電流，2.083Ω負(fù)載 = 2.4A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)

圖17. +5V過流關(guān)斷

Ch1 = STAT2, Ch2 = VGATE (+5V), Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IOUT(+5V) 0.5A/div

注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測得的觸發(fā)電流為2.87A。

圖18. +12V啟動電流，沒有負(fù)載

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)

注釋：IIN(+12Vpk) = 500mA，對輸出電容充電。

圖19. +12V接通電流，4Ω負(fù)載 = 3A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)

圖20. +12V過流關(guān)斷

Ch1 = STAT3, Ch2 = VGATE (+12V), Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div

注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測得的觸發(fā)電流為3.1A。

圖21. 短路電路的+5V啟動電流

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VOUT, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = IIN(+5V)

注釋：觸發(fā)時的4A負(fù)載電流。

圖22. 短路電路的+12V啟動電流

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = VOUT, Ch3 = VGATE, Ch4 = IOUT

注釋：觸發(fā)時的5.7A負(fù)載電流。

測試PCB布板

圖23. 參考設(shè)計PCB元件布局

圖24. 頂層

圖25. 底層

審核編輯：郭婷