ADM4210熱插拔控制器的原理及應(yīng)用

1 引言
    “熱拔插”是指將板卡與帶電丁作底板進(jìn)行插拔，即帶電插拔。當(dāng)板卡插入時(shí)，工作底板已處于穩(wěn)定T作狀態(tài)，所有電容均被充滿電，而待插人的板卡是不帶電的，板卡的電容沒有電荷。因此，當(dāng)板卡與工作底板接觸時(shí)，由于板卡上電容的充電從工作底板電源吸入較大的瞬時(shí)電流。當(dāng)把帶電的板卡拔出工作底板時(shí)，由于板卡上旁路電容的放電，在板卡與帶電背板間形成一條低阻通路，將產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流。這兩種情況下較大的瞬時(shí)電流。使工作底板電源出現(xiàn)瞬時(shí)跌落．從而引發(fā)底板工作狀態(tài)錯(cuò)誤。更為嚴(yán)重的會導(dǎo)致連接器、電路元件、電路板的金屬連線等部件或器件的損壞。ADM4210熱插拔控制器，通過外接一個(gè)N溝道功率場效應(yīng)管MOSFET和少數(shù)外圍元件，即可實(shí)現(xiàn)板卡與帶電工作底板間的安全熱插拔。ADM4210熱捕拔控制器可用于電子設(shè)備中工作底板，也可以用于移動的板卡。

2 ADM4210結(jié)構(gòu)
2．1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    ADM4210內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)包括：欠壓鎖定電路，消抖濾波比較器，MOSFET柵極驅(qū)動器，電流控制環(huán)，延時(shí)斷路器，定時(shí)器等。如圖1所示。

2．2 欠壓鎖定電路
    ADM4210工作電壓2．7~16．5 V，欠壓鎖定電路檢查輸入電壓是否足以保證器件正常工作。當(dāng)輸入電壓低于欠壓鎖定電壓(UALO)，欠壓鎖定電路使ADM4210保持復(fù)位，GATE引腳接地，MOSFET斷開；當(dāng)輸入電壓達(dá)到工作電壓范圍且0N引腳為高電平，器件啟動，同時(shí)0N引腳的外接分壓電阻用來設(shè)置一個(gè)比內(nèi)部欠壓鎖定高的鎖定電壓。
2．3 消抖濾波比較器
    0N為器件使能引腳，連接內(nèi)部1．3 V門限的消抖濾波比較器。0N低電平，ADM4210重啟，通過GATE接地，關(guān)斷外部的MOSFET：0N高電平，器件工作。在插拔電路板時(shí)，內(nèi)部存在大約3 μs的消抖濾波延時(shí)，0N引腳外接RC濾波電路可延長插拔電路板延時(shí)時(shí)間。
2．4 MOSFET柵極驅(qū)動器
    內(nèi)部電荷泵實(shí)現(xiàn)外部N溝道MOSFET柵極驅(qū)動，電荷泵給柵極驅(qū)動器提供12μA的上拉電流。在熱插拔電路板時(shí)，會突然出現(xiàn)電流浪涌，總線上的電壓下降影響相鄰電路板正常工作，引發(fā)系統(tǒng)故障。MOSFET柵極驅(qū)動器通過控制外部MOSFET柵極電壓，最小化故障引發(fā)的總線電壓下落。保護(hù)鄰近電路板。在欠壓鎖定模式，通到GATE引腳強(qiáng)大的下拉電路保持GATE引腳低電平，進(jìn)而減小熱插拔時(shí)的浪涌電流。當(dāng)電路過流時(shí)，MOSFET柵極驅(qū)動器電路盡力保持負(fù)載恒流直到斷路器響應(yīng)。
2．5 電流控制環(huán)
    ADM4210通過外部的感應(yīng)電阻兩端的電壓降監(jiān)測電路電流，當(dāng)大電流出現(xiàn)時(shí)，通過降低外部MOSFET柵極電壓．保持感應(yīng)電阻兩端壓降50 mV，此電流控制環(huán)響應(yīng)快速．能有效的控制浪涌電流。
2．6 延時(shí)斷路器
    斷路器是一種過流保護(hù)裝置。串接在電源與負(fù)載之間。當(dāng)發(fā)生過流或短路故障時(shí)，斷路器自動跳閘使負(fù)載斷開電源。電路負(fù)載阻抗過低或短路等情況，感應(yīng)電阻電流接近電流限制，斷路器定時(shí)器初激活，若電流回落，定時(shí)器復(fù)位。當(dāng)感應(yīng)電阻電壓降到44 mV以下時(shí)，定時(shí)器關(guān)閉；相反．如果電路過電流持續(xù)，過流時(shí)間達(dá)到斷路器延時(shí)周期，GATE引腳關(guān)閉。
2．7 定時(shí)器
    TIMER引腳外接定時(shí)電容CTIMER，控制上電初始化周期、斷路器延時(shí)周期，以及自動重試的脈沖周期(針對ADM4210—1)。通過選擇不同的上拉(5μA、60μA)或下拉電流(2μA、100μA)給TIMER引腳外接的定時(shí)電容充放電，來控制不同功能周期的時(shí)間長短。TIMER引腳內(nèi)接高低端電壓比較器，TIMER引腳電壓與COMPl(0．2 V)和COMP2(1.3 V)電壓比較實(shí)現(xiàn)上電啟動、過流關(guān)斷、自動重試等功能的選擇。

3 引腳功能
    ADM4210采用6引腳TSOT封裝，各引腳功能見表l。

4 性能特點(diǎn)
    ①2．7～16．5V的工作電壓范圍；②提供電路板熱插拔保護(hù)；③斷路器跳斷電流限制通過外部感應(yīng)電阻可調(diào)；④峰故障電流響應(yīng)快速；⑤電荷泵柵極驅(qū)動控制外部MOSFET開關(guān)：⑥支持故障后自動重試模式(ADM4210—1)；⑦支持故障后自動鎖斷模式(ADM4210—2)；⑧支持欠壓鎖定。

5 工作原理
    板卡與工作底板進(jìn)行熱插拔時(shí)，通過外接的感應(yīng)電阻RSENSE監(jiān)測負(fù)載電流，若電路出現(xiàn)過流、短路故障，ADM4210將降低MOSFET的柵極電壓進(jìn)入限流模式．同時(shí)開啟斷路器延時(shí)定時(shí)器，如果限流延時(shí)期滿故障仍未排除。ADM4210將斷開外接MOSFET，切斷電路連接。故障后的處理，ADM4210的兩種型號器件略有不同：①ADM4210一l進(jìn)入自動重試模式，即故障出現(xiàn)后，器件在重試延時(shí)周期結(jié)束時(shí)自動重試連接電路，直到故障排除；②ADM4210—2則進(jìn)人鎖斷模式，即故障出現(xiàn)后，器件將鎖斷電路連接，直到外部提供復(fù)位信號，器件才重新啟動連接電路。ADM4210主要工作過程包括上電啟動和故障保護(hù)。
5．1 上電啟動
    上電后，ON引腳為低電平，ADM4210復(fù)位，GATE引腳被下拉為低電平，MOSFET斷開，TIMER引腳被100μA電流下拉為低電平，當(dāng)ON引腳升為高電平(大于1．3 V)，如圖2位置2，同時(shí)輸入端電壓高于欠壓鎖定電壓UALO，TIMER引腳低于0.2 V，啟動過程開始。內(nèi)部電路通過5μA電流給TIMER引腳定時(shí)電容CTIMER充電，當(dāng)TIMER引腳電壓達(dá)到COMP2(1.3 V)，初始化第一階段結(jié)束，如圖2位置3，然后改用100μA下拉電流給電容CTIMER放電，直到TIMER引腳電壓低于O．2 V，圖2位置4，初始化過程結(jié)束。啟動周期開始．TIMER引腳電平繼續(xù)降低，GATE引腳被拉為高電平。MOS-FET閉合，電路接通，啟動完成。

5．2 故障保護(hù)
    當(dāng)感應(yīng)電阻電壓超過斷路器的跳斷電壓，定時(shí)電容CTIMER通過60 μA上拉電流充電，若在TIMER引腳電平達(dá)到1.3 V前，感應(yīng)電阻電壓降到斷路器跳斷電壓以下，定時(shí)電容CTIMER通過2μA的下拉電流放電，斷路器并不關(guān)斷電路，這樣保證了瞬間過流不影響電路正常工作。但是，若過流持續(xù)，60μA上拉電流斷續(xù)給定時(shí)電容充電，當(dāng)TIMER的引腳電壓超過l.3 V，GATE引腳被拉為低電平，外部MOSFET斷開電路連接，如圖3所示。[!--empirenews.page--]

    (1)ADM4210—1自動重試模式 當(dāng)TIMER引腳電壓超過1.3 V，ADM4210—1改用2μ下拉電流給定時(shí)電容放電，當(dāng)TIMER引腳電平降到COMPl(0．2 V)，用100μA下拉電流給定時(shí)電容快速放電，同時(shí)GATE引腳升為高電平，重試接通電路，如圖3所示。自動重試周期由定時(shí)電容確定，占空比為2μA／60μA，大約3．8％，即重新檢測電流周期中，3．8％時(shí)間電路連通tON，96．2％時(shí)間電路斷開￡。，這樣可以確保器件有足夠時(shí)間冷卻。

    (2)ADM4210—2鎖斷模式 當(dāng)TIMER的引腳電壓超過1．3 V，ADM4210—2改用5μA上拉電流繼續(xù)給定時(shí)電容充電，維持TIMER引腳電平高于1.3 V、GATE引腳低電平，電路保持開路。直到0N引腳出現(xiàn)低電平或?qū)IMER引腳電平拉低，芯片復(fù)位，如圖4所示。

6 實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
6．1 ADM4210熱插拔保護(hù)電路
    ADM4210構(gòu)成的熱插拔保護(hù)電路如圖5所示，上電啟動信號如圖6所示。

6．2 外圍器件選擇
    (1)N溝道MOSFET MOSFET管額定電流必須滿足負(fù)載電流的要求，在滿負(fù)荷范圍內(nèi)，MOSFET導(dǎo)通電阻比應(yīng)足夠?。越档蜄怕╅g的壓差，減小功耗。
    (2)感應(yīng)電阻RSENSE監(jiān)測感應(yīng)電壓，電壓比較器門限電壓為50 mV，選擇感應(yīng)電阻時(shí)應(yīng)保證當(dāng)負(fù)載過流時(shí)，感應(yīng)電阻電壓不低于50 mV，過載電流一般設(shè)置為正常工作時(shí)負(fù)載電流的1倍。例如，負(fù)載正常工作電流為100 mA，則RSENSE=50 mV／(2×100 mA)，即0.25Ω。
    (3)定時(shí)電容CTIMER定時(shí)器通過不同的內(nèi)部電流對定時(shí)電容充放電，以及不同觸發(fā)電平選擇，確定不同功能電路周期，即初始化周期tINTIAL，斷路器延時(shí)周期tBREAKER以及自動重試周期tRETRY(針對ADM4210一1)，根據(jù)圖2上電啟動過程，初始化周期為272．9 ms／μF，由圖3和圖4故障保護(hù)過程可知，斷路器延時(shí)周期為21．6 ms／μF，自動重試周期21．7 ms／μF，計(jì)算過程如下：

   
    例如，當(dāng)定時(shí)電容為0．22μF時(shí)，初始化周期為60 ms，斷路器延時(shí)周期4．75 ms，自動重試周期4．77 ms。

7 結(jié)語
    ADM4210為電路提供欠壓、過壓、過流和短路保護(hù)，在不響應(yīng)工作底板正常運(yùn)行情況下，完成板卡的熱插拔。除此之外，ADM4210還可廣泛應(yīng)用于電路電源保護(hù)器，工業(yè)高端開關(guān)和高端電路的斷路器，電子電路的斷路器等場合，具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。