《電子技術(shù)應用》
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理想二極管和熱插拔控制器實現(xiàn)電源冗余并隔離故障

2013-04-18
作者:Chew Lye Huat
來源:來源:電子技術(shù)應用2013年第3期
關(guān)鍵詞: MOSFET 熱插拔 電源軌 欠壓

摘  要: 為降低冗余電源系統(tǒng)的功耗,LTC4225、LTC4227和LTC4228采用外部N溝道MOSFET作為傳遞組件,為兩個電源軌實現(xiàn)了理想二極管和熱插拔功能。從而在這些MOSFET接通時,最大限度地減小了從電源到負載的壓降。同時提供了快速反向斷開、平滑電源切換、有源電流限制以及狀態(tài)和故障報告功能。
關(guān)鍵詞: MOSFET;熱插拔;電源軌;欠壓

    用肖特基二極管實現(xiàn)多電源系統(tǒng)有多種方式。例如,μTCA 網(wǎng)絡及存儲服務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。但肖特基二極管由于正向壓降而消耗功率,所產(chǎn)生的熱量必須通過PCB上的銅箔區(qū)散出,或者通過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LTC4225、LTC4227和LTC4228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,最大限度地減小了從電源到負載的壓降。當輸入電源電壓降至低于輸出共模電源電壓時,關(guān)斷適當?shù)腗OSFET,從而使功能和性能上與理想二極管匹配。
    通過增加一個電流檢測電阻器,并配置兩個具備單獨柵極控制的背對背MOSFET,LTC4225憑借浪涌電流限制和過流保護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,增加電流檢測電阻器和熱插拔(Hot Swap)MOSFET,以節(jié)省一個MOSFET。通過在理想二極管和熱插拔MOSFET之間配置檢測電阻器,LTC4228比LTC4225有了改進,LTC4228能更快地從輸入電壓欠壓中恢復,以保持輸出電壓不變。
    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4 mm×5 mm QFN以及SSOP封裝。
理想二極管控制
    LTC4225和LTC4228用一個內(nèi)部柵極驅(qū)動放大器監(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DGATE引腳。當這個放大器檢測到大的正向壓降時,就快速拉高DGATE引腳,以接通MOSFET,實現(xiàn)理想二極管控制。
    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,內(nèi)部充電泵給這個電容器充電。DGATE引腳提供來自CPO引腳的電流,并將電流吸收到IN和GND引腳中。柵極驅(qū)動放大器控制DGATE引腳,以跟隨檢測電阻器和兩個外部N溝道MOSFET上的正向壓降,直至25 mV。
    如果負載電流引起超過25 mV的壓降,則柵極電壓上升,以加強用于實現(xiàn)理想二極管控制的MOSFET。在MOSFET導通時,如果輸入電源短路,則會有很大的反向電流開始從負載流向輸入。故障一旦出現(xiàn),柵極驅(qū)動放大器就會檢測到故障情況,并拉低DGATE引腳,以斷開理想二極管MOSFET。
熱插拔控制
    拉高ON引腳并拉低/EN引腳,就啟動了一個100 ms的防反跳定時周期。在這個定時周期結(jié)束之后,來自充電泵的10 ?滋A電流使HGATE引腳斜坡上升。當熱插拔MOSFET接通時,浪涌電流被限制到由外部檢測電阻器設定的值上,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,這樣電流檢測放大器上就會出現(xiàn)65 mV的電壓。如果檢測電壓高于50 mV的時間超過了在TMR引腳端配置的故障過濾器延遲時間,則電路斷路器就會斷開,并拉低HGATE引腳。如果需要,可以在HGATE引腳和GND引腳之間增加一個電容器,以進一步降低浪涌電流。當MOSFET柵極的過驅(qū)動(HGATE至OUT的電壓)超過4.2 V時,拉低/PWRGD引腳。
理想二極管和
熱插拔控制相結(jié)合
    如圖1所示,在一個采用冗余電源的典型?滋TCA應用中,在背板上對輸出進行二極管“或”,這樣,不用斷開系統(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,非常適用于這類應用。這些器件在兩個電源之間提供平滑的電源切換,還提供過流保護。

    主電源掉電時控制器快速響應,以斷開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就不會影響電源切換。當各自的ON引腳被拉低,或/EN引腳被拉高時,控制器斷開熱插拔MOSFET。當在輸出端檢測到過流故障時,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引腳電容器設定的故障過濾器延遲超時為止。熱插拔MOSFET斷開,/FAULT引腳鎖定在低電平,以指示出現(xiàn)了故障。通過將ON引腳拉至低于0.6 V,可以使電子電路斷路器復位。
電源優(yōu)先級
    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,同時擋住電壓較低的電源。這種簡單的解決方案滿足了應用的需求,在這應用中,不是電壓較高的電源就有優(yōu)先權(quán)。圖2顯示了一個備份電源系統(tǒng),在這個系統(tǒng)中,無論何時,只要5 V主電源(INPUT1)可用,就由該電源給輸出供電,而12 V備份電源(INPUT2)僅當主電源無法提供時才會使用。

 

 

    當INPUT1高于由ON1引腳端的R1-R2分壓器設定的4.3 V UV門限時,MH1接通,從而將INPUT1連接到輸出。當MH1接通時,/PWRGD1變低,這又將ON2拉低,并通過斷開MH2來停用IN2通路。如果主電源無法提供,且INPUT1降至低于4.3 V,則ON1斷開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的MD1和MD2都要防止一個輸入到另一個輸入的反向饋送。
交換電源端和負載端的二極管和熱插拔FET
      LTC4225允許采用背對背MOSFET方式,將在電源端的MOSFET配置為理想二極管,在負載端的MOSFET配置為熱插拔控制器,反之亦然。在MOSFET的GATE和SOURCE引腳之間也許需要一個外部齊納二極管來箝位,用以在MOSFET的柵源電壓額定值低于20 V時防止MOSFET擊穿。無論如何,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。
雙理想二極管和
單熱插拔控制器
      圖3顯示了LTC4227的應用,其中檢測電阻器放置在并聯(lián)連接的雙電源理想二極管MOSFET之后,檢測電阻器之后是單個熱插拔MOSFET。在故障超時之前,LTC4227以1x電流限制調(diào)節(jié)過載輸出,而不像LTC4225二極管“或”應用那樣是以2x電流限制。因此,過載情況下的功耗降低了。

      LTC4227還具有/D2ON引腳,這使得確定IN1電源的優(yōu)先級變得非常容易。例如,用一個簡單的電阻分壓器將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2.8 V為止。這時,MD2接通,二極管“或”輸出從IN1端的主3.3 V電源切換到IN2端的輔助3.3 V電源。
輸入發(fā)生故障時更快地恢復輸出
    在圖1所示的LTC4225 ?滋TCA應用中,如果一個輸入電源出現(xiàn)故障,短暫接地,而另一個電源不可用,那么HGATE就被拉低,以隨著IN電源降至低于欠壓閉鎖門限,而斷開熱插拔MOSFET。當輸入電源恢復時,允許HGATE啟動以接通MOSFET。因為給HGATE和已耗盡的輸出電容充電需要花一點時間,所以在此期間也許會出現(xiàn)輸出電壓欠壓的情況。
    在這種情況下,LTC4228能更快地恢復以保持輸出電壓不變,所以比LTC4225有優(yōu)勢。如圖4所示,檢測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,靠輸出負載電容暫時保持SENSE+引腳電壓不變。這可防止SENSE+電壓進入欠壓閉鎖狀態(tài),并防止斷開熱插拔MOSFET。輸入電源在恢復的同時,給已耗盡的負載電容充電,并即時給下游負載供電,因為熱插拔MOSFET仍然處于接通狀態(tài)。

      LTC4225、LTC4227和LTC4228通過控制外部N溝道MOSFET,為兩個電源軌實現(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、平滑電源切換、有源電流限制以及狀態(tài)和故障報告功能。這些器件具有嚴格的5%電路斷路器門限準確度和快速響應電流限制,可保護電源免受過流故障影響。LTC4228能從輸入電壓欠壓狀態(tài)快速恢復,因此在面臨此類事件時,可保持輸出電壓不變。

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