基于IC的熱插拔保護(hù)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(hù)電路具有可靠性低、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，本文介紹的基于IC的熱插拔保護(hù)電路在很少的外圍元件下可以實(shí)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(hù)和抗浪涌電流、過流、欠壓、過壓等保護(hù)電路，有些保護(hù)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(hù)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(hù)，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(fù)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(diǎn)檢測和電源就緒指示。保護(hù)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(hù)電路實(shí)現(xiàn)了以低成本減少了設(shè)備在運(yùn)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(fèi)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(bǔ)了增加成本的缺點(diǎn)。熱插拔電路為系統(tǒng)帶來的其它好處還有：較細(xì)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(dú)使用或與其它保護(hù)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(diǎn)。



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(dá)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(fù)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(fù)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(fù)載，使得熱插拔保護(hù)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(hù)，這也是采用保險絲的主要目的。



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(fù)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(qiáng)Q2的柵源保護(hù)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Q1Vbe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(hù)晶體管，但是還要有足夠高的耐壓保證在整個負(fù)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。



基于IC的熱插拔電路能夠在極小的封裝內(nèi)提供多種功能，而且只需要少量的外部元件。圖3是一個低電壓熱插拔電路，只需一個限流電阻R1和一個工作在2.7V至13.2V的串聯(lián)調(diào)整管。該電路具有浪涌電流限制和兩級過流保護(hù)：大電流故障時的快速響應(yīng)和小電流、非連續(xù)電流故障下的慢速響應(yīng)。圖3的電路提供了連續(xù)的電流監(jiān)測功能。與分立方案相比，基于IC的熱插拔電路具有更高的初始精度和較好的溫度特性。圖2中PNP晶體管的Vbe溫度漂移典型值是2mV/℃，當(dāng)溫度在-40℃至+85℃范圍變化時，輸出電壓大約變化120mV。圖3中的U1在快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)下的最大漂移分別為6.5mV和20mV。

在一般的晶體管指標(biāo)中很少給出Vbe參數(shù)，而圖3中的U1則有準(zhǔn)確的電壓門限定義，而且門限電壓較低，為50mV，僅有0.6VVbe的1/12。因此可以采用較小的檢流電阻，并且功耗更低。另外，基于IC的熱插拔電路還具有圖1和圖2電路無法提供的功能，包括：

可以使用低成本的N溝道MOSFET；

提供狀態(tài)輸出；

能夠響應(yīng)低電平和高電平故障；

提供上電控制引腳(ON)，適用于負(fù)載控制或雙卡插入時的口線檢測。

圖3中的U1在檢測到故障狀態(tài)時能夠閉鎖負(fù)載電源的開路狀態(tài)，充當(dāng)一個斷路器。如果需要自動重試和感應(yīng)電壓保護(hù)功能，可用MAX4272或MAX4273熱插拔控制器替換圖3中的U1。

基于IC的高壓熱插拔控制器在SOT23封裝內(nèi)集成了更多的功能，圖4中的熱插拔控制器MAX5902可工作在9V至72V電壓范圍，只需一個外部P溝道MOSFET(Q1)即可實(shí)現(xiàn)基本操作。該電路不需要外部檢流電阻限制浪涌電流或檢測故障狀態(tài)，而是利用MOSFET(Q1)的導(dǎo)通電阻Rds(on)作為電流檢測元件。

圖4中，U1在系統(tǒng)上電時斷開MOSFET，而且當(dāng)ON/OFF引腳為低電平或電源電壓低于欠壓閉鎖門限，或當(dāng)芯片溫度高于+125℃時，MOSFET將保持開路狀態(tài)。如果不存在上述情況，U1將在延遲周期結(jié)束時逐步導(dǎo)通MOSFET(Q1)。在MOSFET導(dǎo)通過程中，U1緩慢提升Q1的電壓，允許負(fù)載供電電壓的上升速率為9V/ms。限制浪涌電流的電平與負(fù)載電容和固定的電壓上升斜率成比例：ILIMIT=ILOAD9V/ms。負(fù)載電壓最終建立后，U1通過監(jiān)視Q1兩端的壓差(ILOADRds(on))檢測故障狀態(tài)。如果壓差超出了斷路器的門限值，U1將關(guān)斷Q1，立即斷開電源與負(fù)載的連接。

與分立元件方案不同的是，圖4電路具有熱關(guān)斷保護(hù)、欠壓閉鎖輸出保護(hù)和由ON/OFF引腳控制的關(guān)斷功能，以及電源就緒狀態(tài)指示，U1可提供斷路器功能，斷路器帶有自動重試或開路狀態(tài)閉鎖。對于采用-9V至-100V供電的設(shè)備，如-48V的電信設(shè)備，可選用MAX5901替代圖4中的U1。

綜上所述，基于IC的熱插拔控制器與分立方案相比具有更多的優(yōu)勢，盡管分離方案成本較低，但如果考慮整個系統(tǒng)的穩(wěn)固性和系統(tǒng)的研發(fā)周期、維修費(fèi)用，分離方案可能具有更高的系統(tǒng)成本。較大的主電源和更堅固的連接器是導(dǎo)致分離方案在實(shí)際實(shí)施中成本提高的主要原因。另外，分離方案還缺少狀態(tài)指示、熱關(guān)斷保護(hù)、欠壓閉鎖，以及用于負(fù)載控制或電路板卡插入檢測的開關(guān)控制輸入。

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