構建低電壓負電源熱插拔電路的三種方案

考慮到市場上的許多熱插拔IC不能支持負電源設計，本文討論了三種構建低電壓負電源熱插拔電路的解決方案。其中兩種方案需要配合正電源使用，而第三種方案可以用于僅有負電源供電的系統(tǒng)。

類似文章發(fā)表于2008年7月的Power Electronics Technology。

引言

許多系統(tǒng)要求支持帶電插拔，除了正電源供電系統(tǒng)外，有些負電源(-5V或-5.2V)設計也提出了同樣的要求。熱插拔應用中，可以很容易得到適當?shù)牡碗妷?、正電源熱插拔控制器，但卻很難找到合適的針對負電源設計的低電壓熱插拔器件。由于大多數(shù)需要負電源低電壓熱插拔控制的系統(tǒng)中同樣也使用正電源低電壓熱插拔控制器，可以借助正電源構建一個負電壓熱插拔控制方案。

本文提供了兩個用于+5V/-5.2V的雙電源供電系統(tǒng)的熱插拔方案，一種方案利用兩個芯片分別控制每個通道；另一種則使用單個控制器IC保護兩個通道。第三種方案采用單個芯片實現(xiàn)-5.2V單電源的熱插拔保護。三種方案均提供帶電插拔、啟動延時、浪涌電流抑制等功能，但只有一種方案具備過壓檢測和斷路器功能。

圖1所示的兩芯片方案在負電源和正電源通道都提供有獨立的斷路器功能，圖2和圖3所示的單芯片方案支持浪涌電流控制功能，但在負電源通道上不具備限流和斷路器功能。

 

兩芯片方案

圖1所示電路提供完備的熱插拔功能，為+5V和-5.2V電源提供限流、斷路器功能。電路采用MAX4272低電壓正電源控制器支持+5V通道的熱插拔，由于無法找到用于低電壓的負電源熱插拔控制器，我們使用了MAX5900高壓負電源控制器支持-5.2V通道。將MAX5900的接地端連接到+5V電源，+10.2V的電源壓差能夠滿足MAX5900的-9V至-100V供電范圍要求。由于MAX5900具有-9V的最低供電電壓，所以在本設計中選擇了這款器件。除MAX4272外，也可以選擇其它低電壓正電源控制器用于本設計，但MAX4272在8引腳封裝內(nèi)集成了全面的功能，因此在本設計中選擇這款器件用于正電源的熱插拔控制。

每個通道均提供過載(電流大約為1A)故障關斷，發(fā)生故障時可以自動重新開啟。MAX5900利用M2 MOSFET的RDS(ON)作為檢流電阻，VSENSE的觸發(fā)門限為200mV。選擇RDS(ON) = 0.2Ω的MOSFET作為M2，可以獲得大約1A的過載門限。有關延時和定時信息，請參考器件數(shù)據(jù)資料。


圖1. 兩芯片熱插拔控制方案，在正、負兩個低壓電源通道均提供過載故障檢測。

 

單芯片方案

圖2電路為正、負電源同時提供限流、熱插拔啟動控制功能，但僅為+5V電源提供斷路器功能。以下介紹的單芯片方案利用MAX5904同時支持+5V和-5.2V的熱插拔，MAX5904設計用于控制兩路正電源的帶電插拔，按照如下電路設計，可以用其控制一路正電源和一路負電源。選擇MAX5904的優(yōu)勢是能夠控制兩路電源，并且只需要很少的外部元件。

按照以下配置，MAX5904可以將+5V電源當作+10.2V電源控制，提供斷路器功能；將-5.2V電源當作+5.2V電源處理，實現(xiàn)熱插拔管理功能。

• MAX5904的GND引腳接-5.2V
• IN1和SENSE1引腳接地
• IN2引腳接+5V

當MAX5904處于關閉狀態(tài)時，兩個柵極驅(qū)動輸出均處于-5.2V。導通模式下，GATE2提供比VIN2高出5.4V的驅(qū)動，GATE1提供比VIN1高出5.4V的驅(qū)動。啟動過程中，為+5V和-5.2V提供常規(guī)的浪涌電流限制，但對負電源沒有斷路器功能，可以安裝一個保險絲提供必要的保護。

MA5904無法檢測負電源故障，但可以檢測+5V電源的故障。一旦檢測到故障狀態(tài)，將同時關斷兩個通道。經(jīng)過一段延遲時間后，兩個通道將自動重試，重新開啟。利用ON引腳可以實現(xiàn)通/斷控制，但需要一個簡單的電平轉(zhuǎn)換電路，因為MAX5904是以-5.2V為參考點，而非GND。


圖2. 單芯片方案，為正、負電源提供浪涌電流限制，但-5.2V通道不具備斷路器功能。

 

單通道方案

圖3所示為-5.2V、單通道熱插拔電路，利用MAX4272低電壓正電源熱插拔控制器提供負電源熱插拔管理。MAX4272的GND引腳接-5.2V電源，IN和SENSE引腳接電路的地。MAX4272相當于工作在+5.2V電源的電路。由于電路中沒有使用檢流電阻，因此無法提供過載斷路功能。除MAX4272外，也可以選擇其它器件用于本設計，但MAX4272所需要的外部元件最少。


圖3. 單通道負電源熱插拔電路不具備斷路器功能，可調(diào)節(jié)開啟電壓。

MAX4272的ON引腳可以直接連接到電路的地電位，當-5.2V電源開啟并且電壓達到-2.4V以后150ms時，熱插拔控制器開始啟動。更換電阻R1和R2，可以設置更接近+5V的開啟電壓。調(diào)節(jié)R1/(R1+R2)分壓比，使ON引腳電壓上升到所要求的負電源電壓以上0.6V，開啟熱插拔控制器。

啟動過程中電路內(nèi)部沒有限流功能，因此利用CG減緩開啟時柵極電壓的上升速率。內(nèi)部柵極驅(qū)動電流約為100µA，負載電容將按照下式所示的速率充電：



其中，CGATE = CG + CGS (M1)。

由于該電路不具備限流功能，最好在-5.2V電源上串聯(lián)一個保險絲，如圖2所示。