理想二極管和熱插拔控制器實(shí)現(xiàn)電源冗余并隔離故障

0 引言

用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)有多種方式。例如，µTCA 網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)服務(wù)器等高可用性電子系統(tǒng)都在其冗余電源系統(tǒng)中采用了肖特基二極管“或”電路。二極管或電路還用于采用備用電源的系統(tǒng)，例如 AC 交流適配器和備份電池饋送。問(wèn)題是，肖特基二極管由于正向壓降而消耗功率，所產(chǎn)生的熱量必須用 PCB 上專門的銅箔區(qū)散出，或者通過(guò)由螺栓固定到二極管上的散熱器散出，這兩種散熱方式都需要占用很大的空間。

凌力爾特公司的一個(gè)產(chǎn)品系列用外部 N 溝道 MOSFET 作為傳遞組件，最大限度地降低了功耗，從而在這些 MOSFET 接通時(shí)，最大限度地減小了從電源到負(fù)載的壓降，這個(gè)產(chǎn)品系列包括 LTC4225、LTC4227 和 LTC4228.當(dāng)輸入電源電壓降至低于輸出共模電源電壓時(shí)，關(guān)斷適當(dāng)?shù)?MOSFET,從而使功能和性能上與理想二極管匹配。

如圖 1 所示，通過(guò)增加一個(gè)電流檢測(cè)電阻器，并配置兩個(gè)具備單獨(dú)柵極控制的背對(duì)背 MOSFET,LTC4225 憑借浪涌電流限制和過(guò)流保護(hù)提高了理想二極管的性能。這就允許電路板安全地插入或從帶電背板拔出，而不會(huì)損壞連接器。LTC4227 可以這樣使用：在并聯(lián)連接的理想二極管 MOSFET 之后，增加電流檢測(cè)電阻器和熱插拔 (Hot Swap) MOSFET,以節(jié)省一個(gè) MOSFET.通過(guò)在理想二極管和熱插拔 MOSFET 之間配置檢測(cè)電阻器，LTC4228 比 LTC4225 有了改進(jìn)，LTC4228 能更快地從輸入電壓欠壓中恢復(fù)，以保持輸出電壓不變。

圖 1:采用檢測(cè)電阻器和外部 N 溝道 MOSFET 的 LTC4225、LTC4227 和 LTC4228 的不同配置

LTC4225-1、LTC4227-1 和 LTC4228-1 具備鎖斷電路斷路器，而 LTC4225-2、LTC4227-2 和 LTC4228-2 提供故障后自動(dòng)重試功能。LTC4225、LTC4227 和 LTC4228 的兩種版本均分別采用 24 引腳、20 引腳和 28 引腳 4mm x 5mm QFN 以及 SSOP 封裝。

1 理想二極管控制

LTC4225 和 LTC4228 用一個(gè)內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)放大器監(jiān)視 IN 和 OUT 引腳 (就 LTC4227 而言是 IN 和 SENSE+ 引腳) 之間的電壓，起到了理想二極管的作用，該放大器驅(qū)動(dòng) DGATE 引腳。當(dāng)這個(gè)放大器檢測(cè)到大的正向壓降 (圖 2) 時(shí)，就快速拉高 DGATE 引腳，以接通 MOSFET,實(shí)現(xiàn)理想二極管控制。

圖 2:當(dāng) IN 電源接通時(shí)，拉高理想二極管控制器 CPO 和 DGATE 引腳

CPO 和 IN 引腳之間連接的外部電容器提供理想二極管 MOSFET 快速接通所需的電荷。在器件加電時(shí)，內(nèi)部充電泵給這個(gè)電容器充電。DGATE 引腳提供來(lái)自 CPO 引腳的電流，并將電流吸收到 IN 和 GND 引腳中。柵極驅(qū)動(dòng)放大器控制 DGATE 引腳，以跟隨檢測(cè)電阻器和兩個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 上的正向壓降，直至 25mV.

如果負(fù)載電流引起超過(guò) 25mV 的壓降，那么柵極電壓就上升，以加強(qiáng)用于實(shí)現(xiàn)理想二極管控制的 MOSFET.在 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，如果輸入電源短路，那么會(huì)有很大的反向電流開(kāi)始從負(fù)載流向輸入。故障一出現(xiàn)，柵極驅(qū)動(dòng)放大器就會(huì)檢測(cè)到故障情況，并拉低 DGATE, 以斷開(kāi)理想二極管 MOSFET.

2 熱插拔控制

拉高 ON 引腳并拉低 /EN 引腳，就啟動(dòng)了一個(gè) 100ms 的防反跳定時(shí)周期。在這個(gè)定時(shí)周期結(jié)束之后，來(lái)自充電泵的 10µA 電流使 HGATE 引腳斜坡上升。當(dāng)熱插拔 MOSFET 接通時(shí)，浪涌電流被限制到由外部檢測(cè)電阻器設(shè)定的值上，就 LTC4225 而言，該電阻器連接在 IN 和 SENSE 引腳之間 (就 LTC4227 和 LTC4228 而言，是 SENSE+ 和 SENSE━ 引腳)。有源電流限制放大器伺服 MOSFET 的柵極，這樣電流檢測(cè)放大器上就會(huì)出現(xiàn) 65mV 的電壓。如果檢測(cè)電壓高于 50mV 的時(shí)間超過(guò)了在 TMR 引腳端配置的故障過(guò)濾器延遲時(shí)間，那么電路斷路器就斷開(kāi)，并拉低 HGATE.如果需要，可以在 HGATE 和 GND 之間增加一個(gè)電容器，以進(jìn)一步降低浪涌電流。當(dāng) MOSFET 柵極的過(guò)驅(qū)動(dòng) (HGATE 至 OUT 的電壓) 超過(guò) 4.2V 時(shí)，拉低 /PWRGD 引腳 (圖 3)。

圖 3:當(dāng) ON 引腳切換到高電平時(shí)，在 100ms 延遲之后，熱插拔控制器 HGATE 啟動(dòng)，PWRGD 被拉低

3 理想二極管和熱插拔控制相結(jié)合

在一個(gè)采用冗余電源的典型 µTCA 應(yīng)用中 (圖 4 和 9)，在背板上對(duì)輸出進(jìn)行二極管“或”,以不用斷開(kāi)系統(tǒng)電源，就可以取出或插入板卡。LTC4225 和 LTC4228 都包括理想二極管和熱插拔控制器，非常適用于這類應(yīng)用，這些器件在兩個(gè)電源之間提供平滑的電源切換，還提供過(guò)流保護(hù)。

圖 4:在 µTCA 應(yīng)用中，LTC4225 為兩個(gè)µTCA 插槽提供 12V 電源

PLUG-IN CARD-1:插入式板卡 1

BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR:降壓模式電源旁路電容器

BACKPLANE:背板

如果主電源掉電，那么控制器就快速響應(yīng)，以斷開(kāi)主電源通路中的理想二極管 MOSFET,并接通冗余電源通路中的 MOSFET,從而向輸出負(fù)載提供平滑的電源切換。熱插拔 MOSFET 保持接通，這樣這些 MOSFET 就不會(huì)影響電源切換。當(dāng)各自的 ON 引腳被拉低，或 /EN 引腳被拉高時(shí)，控制器斷開(kāi)熱插拔 MOSFET.當(dāng)在輸出端檢測(cè)到過(guò)流故障時(shí)，熱插拔 MOSFET 的柵極被快速拉低，之后輸出就穩(wěn)定在電流限制值上，直至由 TMR 引腳電容器設(shè)定的故障過(guò)濾器延遲超時(shí)為止。熱插拔 MOSFET 斷開(kāi)，/FAULT 引腳鎖定在低電平，以指示出現(xiàn)了故障。通過(guò)將 ON 引腳拉至低于 0.6V,可以使電子電路斷路器復(fù)位。

4 電源優(yōu)先級(jí)

在傳統(tǒng)的二極管“或”多電源系統(tǒng)中，由電壓較高的輸入電源給輸出供電，同時(shí)擋住電壓較低的電源。這種簡(jiǎn)單的解決方案滿足了應(yīng)用的需求，在這應(yīng)用中，電源的優(yōu)先權(quán)不僅是電壓較高的電源就優(yōu)先的問(wèn)題。圖 5 顯示了一個(gè)備份電源系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)論何時(shí)，只要 5V 主電源 (INPUT1) 可用，就由該電源給輸出供電，而 12V 備份電源 (INPUT2) 僅當(dāng)主電源無(wú)法提供時(shí)才會(huì)使用。

只要 INPUT1 高于由 ON1 引腳端的 R1-R2 分壓器設(shè)定的 4.3V UV 門限，MH1 就接通，從而將 INPUT1 連接到輸出。當(dāng) MH1 接通時(shí)，/PWRGD1 變低，這又將 ON2 拉低，并通過(guò)斷開(kāi) MH2 來(lái)停用 IN2 通路。如果主電源無(wú)法提供，且 INPUT1 降至低于 4.3V,那么 ON1 就斷開(kāi) MH1,且 /PWRGD1 變高，從而允許 ON2 接通 MH2,并將 INPUT2 連接到輸出。在任何情況下，理想二極管 MOSFET MD1 和 MD2 都要防止一個(gè)輸入到另一個(gè)輸入的反向饋送。

圖 5:用 LTC4225 實(shí)現(xiàn)以 IN1 作為優(yōu)先輸入的雙通道電源優(yōu)先級(jí)區(qū)分器[!--empirenews.page--]

PRIMARY SUPPLY:主電源

BACKUP SUPPLY:備份電源

5 交換電源端和負(fù)載端的二極管和熱插拔 FET

LTC4225 允許采用背對(duì)背 MOSFET 的應(yīng)用將在電源端的 MOSFET 配置為理想二極管，在負(fù)載端的 MOSFET 配置為熱插拔控制器 (圖 4)，反之亦然 (圖 6)。圖 6 中，在 MOSFET 的 GATE 和 SOURCE 引腳之間也許需要一個(gè)外部齊納二極管來(lái)箝位，以在 MOSFET 的柵源電壓額定值低于 20V 時(shí)防止 MOSFET 擊穿。無(wú)論是按照那安排，LTC4225 憑借理想二極管在 IN 和 OUT 引腳之間的“或”連接，都能平滑地在電源之間切換。

圖 6:用 LTC4225 實(shí)現(xiàn)在電源端具備熱插拔 MOSFET、在負(fù)載端具備理想二極管 MOSFET 的應(yīng)用

BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR:降壓模式電源旁路電容器

PLUG-IN CARD 1:插入式板卡 1

BACKPLANE:背板

6 雙理想二極管和單熱插拔控制器

圖 7 顯示了 LTC4227 的應(yīng)用，其中檢測(cè)電阻器放置在并聯(lián)連接的雙電源理想二極管 MOSFET 之后，檢測(cè)電阻器之后是單個(gè)熱插拔 MOSFET.圖中，在故障超時(shí)之前，LTC4227 以 1x 電流限制調(diào)節(jié)過(guò)載輸出，而不像 LTC4225 二極管“或”應(yīng)用那樣是以 2x 電流限制。因此，在過(guò)載情況下，功耗降低了。

圖 7:用 LTC4227 實(shí)現(xiàn)具備熱插拔控制和存在板卡的二極管“或”應(yīng)用

BACKPLANE CONNECTOR:背板連接器

CARD CONNECTOR:板卡連接器

LTC4227 還具有 /D2ON 引腳，這允許非常容易地確定 IN1 電源的優(yōu)先級(jí)。例如，圖 8 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器，該分壓器將 IN1 連接到 /D2ON 引腳，這樣 IN1 電源一直都是優(yōu)先的，直至 IN1 降至低于 2.8V 為止，這時(shí)，MD2 接通，二極管“或”輸出從 IN1 端的主 3.3V 電源切換到 IN2 端的輔助 3.3V 電源。

圖 8:通過(guò) LTC4227 的 D2ON,插入式板卡的 IN1 電源控制 IN2 電源的接通

BACKPLANE CONNECTOR:背板連接器

CARD CONNECTOR:板卡連接器

在輸入發(fā)生故障時(shí)，更快地恢復(fù)輸出。在圖 4 所示的 LTC4225 µTCA 應(yīng)用中，如果一個(gè)輸入電源出現(xiàn)故障，短暫接地，而另一個(gè)電源不可用，那么 HGATE 就被拉低，以隨著 IN 電源降至低于欠壓閉鎖門限，而斷開(kāi)熱插拔 MOSFET.當(dāng)輸入電源恢復(fù)時(shí)，允許 HGATE 啟動(dòng)以接通 MOSFET.因?yàn)榻o HGATE 和已耗盡的輸出電容充電需要花一點(diǎn)時(shí)間，所以在此期間也許會(huì)出現(xiàn)輸出電壓欠壓情況。

在這種情況下，LTC4228 能更快地恢復(fù)以保持輸出電壓不變，所以比 LTC4225 有優(yōu)勢(shì)。如圖 9 所示，檢測(cè)電阻器放置在理想二極管和熱插拔 MOSFET 之間，從而允許在輸入電源出現(xiàn)故障時(shí)，靠輸出負(fù)載電容暫時(shí)保持 SENSE+ 引腳電壓不變。這可防止 SENSE+ 電壓進(jìn)入欠壓閉鎖狀態(tài)，并防止斷開(kāi)熱插拔 MOSFET.輸入電源在恢復(fù)的同時(shí)，給已耗盡的負(fù)載電容充電，并即時(shí)給下游負(fù)載供電，因?yàn)闊岵灏?MOSFET 仍然處于接通狀態(tài)。

圖 9:用 LTC4228 實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)µTCA 插槽提供 12V 電源的µTCA 應(yīng)用

BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR:降壓模式電源旁路電容器

PLUG-IN CARD 1:插入式板卡1

BACKPLANE:背板

7 結(jié)論

LTC4225、LTC4227 和 LTC4228 通過(guò)控制外部 N 溝道 MOSFET,為兩個(gè)電源軌實(shí)現(xiàn)了理想二極管和熱插拔功能。這些器件提供快速反向斷開(kāi)、平滑電源切換、有源電流限制以及狀態(tài)和故障報(bào)告功能。這些器件具有嚴(yán)格的 5% 電路斷路器門限準(zhǔn)確度和快速響應(yīng)電流限制，可保護(hù)電源免受過(guò)流故障影響。LTC4228 能從輸入電壓欠壓狀態(tài)快速恢復(fù)，因此在面臨此類事件時(shí)，可保持輸出電壓不變。