構(gòu)建低電壓負(fù)電源熱插拔電路的三種方案

考慮到市場(chǎng)上的許多熱插拔IC不能支持負(fù)電源設(shè)計(jì)，本文討論了三種構(gòu)建低電壓負(fù)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(fù)電源供電的系統(tǒng)。

類(lèi)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(fù)電源(-5V或-5.2V)設(shè)計(jì)也提出了同樣的要求。熱插拔應(yīng)用中，可以很容易得到適當(dāng)?shù)牡碗妷骸⒄娫礋岵灏慰刂破?，但卻很難找到合適的針對(duì)負(fù)電源設(shè)計(jì)的低電壓熱插拔器件。由于大多數(shù)需要負(fù)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(gòu)建一個(gè)負(fù)電壓熱插拔控制方案。

本文提供了兩個(gè)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(gè)芯片分別控制每個(gè)通道；另一種則使用單個(gè)控制器IC保護(hù)兩個(gè)通道。第三種方案采用單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)-5.2V單電源的熱插拔保護(hù)。三種方案均提供帶電插拔、啟動(dòng)延時(shí)、浪涌電流抑制等功能，但只有一種方案具備過(guò)壓檢測(cè)和斷路器功能。

圖1所示的兩芯片方案在負(fù)電源和正電源通道都提供有獨(dú)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(fù)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(wú)法找到用于低電壓的負(fù)電源熱插拔控制器，我們使用了MAX5900高壓負(fù)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(mǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，但MAX4272在8引腳封裝內(nèi)集成了全面的功能，因此在本設(shè)計(jì)中選擇這款器件用于正電源的熱插拔控制。

每個(gè)通道均提供過(guò)載(電流大約為1A)故障關(guān)斷，發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)重新開(kāi)啟。MAX5900利用M2 MOSFET的RDS(ON)作為檢流電阻，VSENSE的觸發(fā)門(mén)限為200mV。選擇RDS(ON) = 0.2Ω的MOSFET作為M2，可以獲得大約1A的過(guò)載門(mén)限。有關(guān)延時(shí)和定時(shí)信息，請(qǐng)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(fù)兩個(gè)低壓電源通道均提供過(guò)載故障檢測(cè)。

 

單芯片方案

圖2電路為正、負(fù)電源同時(shí)提供限流、熱插拔啟動(dòng)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(shí)支持+5V和-5.2V的熱插拔，MAX5904設(shè)計(jì)用于控制兩路正電源的帶電插拔，按照如下電路設(shè)計(jì)，可以用其控制一路正電源和一路負(fù)電源。選擇MAX5904的優(yōu)勢(shì)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(dāng)作+10.2V電源控制，提供斷路器功能；將-5.2V電源當(dāng)作+5.2V電源處理，實(shí)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(dāng)MAX5904處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出均處于-5.2V。導(dǎo)通模式下，GATE2提供比VIN2高出5.4V的驅(qū)動(dòng)，GATE1提供比VIN1高出5.4V的驅(qū)動(dòng)。啟動(dòng)過(guò)程中，為+5V和-5.2V提供常規(guī)的浪涌電流限制，但對(duì)負(fù)電源沒(méi)有斷路器功能，可以安裝一個(gè)保險(xiǎn)絲提供必要的保護(hù)。

MA5904無(wú)法檢測(cè)負(fù)電源故障，但可以檢測(cè)+5V電源的故障。一旦檢測(cè)到故障狀態(tài)，將同時(shí)關(guān)斷兩個(gè)通道。經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間后，兩個(gè)通道將自動(dòng)重試，重新開(kāi)啟。利用ON引腳可以實(shí)現(xiàn)通/斷控制，但需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)镸AX5904是以-5.2V為參考點(diǎn)，而非GND。


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

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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(fù)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(dāng)于工作在+5.2V電源的電路。由于電路中沒(méi)有使用檢流電阻，因此無(wú)法提供過(guò)載斷路功能。除MAX4272外，也可以選擇其它器件用于本設(shè)計(jì)，但MAX4272所需要的外部元件最少。


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

MAX4272的ON引腳可以直接連接到電路的地電位，當(dāng)-5.2V電源開(kāi)啟并且電壓達(dá)到-2.4V以后150ms時(shí)，熱插拔控制器開(kāi)始啟動(dòng)。更換電阻R1和R2，可以設(shè)置更接近+5V的開(kāi)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(fù)電源電壓以上0.6V，開(kāi)啟熱插拔控制器。

啟動(dòng)過(guò)程中電路內(nèi)部沒(méi)有限流功能，因此利用CG減緩開(kāi)啟時(shí)柵極電壓的上升速率。內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)電流約為100µA，負(fù)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(gè)保險(xiǎn)絲，如圖2所示。