热插拔控制器及其应用

热插拔控制器及其应用1陈首先2香港设计中心工程师3©2007NationalSemiconductorCorporation内容简介•热插拔简介•热插拔控制器及其应用•MOSFET的安全运作范围（SOA）•LM5068负电压热插拔控制器•LM5069正电压热插拔控制器热插拔简介为什么要使用热插拔？使用热插拔时会碰到什么问题呢？45©2007NationalSemiconductorCorporation为什么要使用热插拔？•使用热插拔可以实现在背板不必关机的情况下对背板上的故障板卡设备进行替换，从而减少整个系统的故障停机时间，保证系统能够连续稳定的长时间运行6©2007NationalSemiconductorCorporation热插拔的问题•DC/DC模块通常具有很大的输入电容，当模块插入背板时输入电容提供了一个初始的低阻抗回路•直接将模块插入带电背板会造成巨大的浪涌电流7©2007NationalSemiconductorCorporation热插拔的问题•巨大的浪涌电流有可能损坏接插件、导线和模块的输入电容•更重要的是浪涌电流会造成背板供电电压的瞬间跌落，使背板上其他设备复位而不能正常工作热插拔控制器及其应用专用热插拔控制器能帮我们解决些什么问题？通常热插拔控制器是怎样应用的？89©2007NationalSemiconductorCorporation热插拔控制器的功能•热插拔控制器用来实现对浪涌电流的控制，保证热插拔时背板、插拔设备的安全以及背板上其他设备的正常工作10©2007NationalSemiconductorCorporation热插拔控制器的功能•热插拔控制器能够实现故障设备和背板的隔离，并能提供相应的故障指示•如果设备故障自动消失（例如设备被短路后又恢复正常），热插拔控制器可以重新使能设备11©2007NationalSemiconductorCorporation热插拔控制器的功能•热插拔控制器能够实现对背板电压的监视，如果背板电压出现异常，可以将设备和背板隔离，从而保护设备不受损坏VSYS12©2007NationalSemiconductorCorporation正电压热插拔应用原理图热插拔控制器Rs13©2007NationalSemiconductorCorporation正电压热插拔应用说明•需要一个外接N沟道MOSFET•通过控制外接MOSFET栅极电压来控制初始化时流入负载的电流大小，限制浪涌电流•电流限制可以通过采样电阻Rs的大小进行编程•UVLO和OVLO脚可以实现欠过压保护•故障延迟时间可由Timer脚所接电容进行编程•当热插拔完成，输出电压Vout稳定后PowerGood信号使能14©2007NationalSemiconductorCorporation负电压热插拔应用原理图ENABLEGND-VeeLOADCloadVccVeeSENSETIMERUVGATEOVPWRGD热插拔控制器MOSFET的安全运作范围(SOA)使用热插拔控制器和外接MOSFET可以限制热插拔时的浪涌电流并保护后级设备。但MOSFET本身也需要保护。MOSFET的安全运作范围(SOA)曲线给了我们怎样保护外接MOSFET的信息。1516©2007NationalSemiconductorCorporationMOSFET的SOA曲线80W恒功率限制10A恒流限制功率限制和电流限制都采用IRF8010100V80AN-CHMOSFETD2PAK封装17©2007NationalSemiconductorCorporation采用恒流限制的热插拔IRF8010100V80AN-CHMOSFETD2PAK封装•10A恒流限制，负载电容1000uF-Ids=C*dV/dt-10A=1000uF*80V/dtdt=8ms-10A电流脉冲将持续8ms-电路刚开始工作时Vds为80VIds为10A，MOSFET工作在SOA以外，将会被损坏18©2007NationalSemiconductorCorporation采用恒功率限制的热插拔IRF8010100V80AN-CHMOSFETD2PAK封装•80W恒功率限制，负载电容1000uF-Ids*Vds=80W-电路刚开始工作时Vds为80VIds为1A-负载充电快完成Vds为1V时Ids高达80A-MOSFET始终工作在SOA以内-当Vds变小时，Ids很大19©2007NationalSemiconductorCorporation采用电流限制和功率限制的热插拔IRF8010100V80AN-CHMOSFETD2PAK封装•80W功率限制，10A电流限制负载电容1000uF-Ids*Vds=80W并且Ids最大值为10A-电路刚开始工作时Vds为80VIds为1A-Vds8V时，Ids为10A-MOSFET始终工作在SOA以内并且输入电流最大值不会超过10ALM5068负电压热插拔控制器LM5068是美国国家半导体推出的一款用于负输入电压场合的热插拔控制器，输入电压范围为－10V～－90V2021©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068负电压热插拔控制器Q1RsR3R1CtENABLE-48VLOADCloadVccVeeSENSETIMERUVGATEOVPWRGDR210CcLM5068典型应用电路特点：•设备从带电背板上安全热插拔•-10V至-90V输入电压范围•可编程欠压和过压保护•可编程欠压和过压保护滞回•可编程多功能定时器•过流保护响应迅速•上电初始化时有源电流限制•发生保护后芯片锁死或者重试•PowerGood具有高电平有效和低电平有效两种版本•过热关机保护封装:MSOP-8和LLP-8(3x3mm)GND22©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068的内部框图23©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068的电流检测和门极驱动•电流采样信号Vsense小于50mV，正常工作•50mVVsense100mV，芯片处于电路断路控制保护模式，延迟一段时间后门极输出信号关断•100mVVsense200mV，芯片处于有源电流限制模式，通过控制门极电压使流过MOSFET的电流为恒定值100mV/Rs，并延迟一段时间关断门极输出信号24©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068的电流检测和门极驱动•Vsense200mV，芯片处于快速放电模式，通过对门极电容迅速放电，使流过MOSFET的电流迅速下降到100mV/Rs，并维持此电流大小一段时间后关断门极输出信号•芯片初始工作对负载电容充电时处于有源电流限制模式，流过MOSFET的电流为恒流100mV/Rs，属于恒流限制25©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068的欠、过压保护•具有输入欠压和过压保护功能，保护阈值可通过外接电阻编程设定。•进入保护和退出保护的阈值可以存在一个滞环宽度，防止过、欠压保护的频繁动作。滞环宽度也可通过电阻编程。26©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068的内部定时器•多功能定时器。•上电时延迟一定时间启动，避免热插拔时输入电压的抖动影响芯片正常工作。•过流信号必须持续一定时间才进入过流保护，避免由噪声引起的误动作。27©2007NationalSemiconductorCorporationLM5068上电时的波形Vds：25V/divIds：0.5A/divVgs：5V/divPmosfet：25/div恒流限制LM5069正电压热插拔控制器LM5069是美国国家半导体推出的一款用于正输入电压场合的热插拔控制器，输入电压范围为＋9V～＋80V2829©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069正电压热插拔控制器典型应用电路特点：•设备从带电背板上安全热插拔•+9V至+80V输入电压范围•可编程外接MOSFET最大电流限制•可编程外接MOSFET最大功率限制•内部集成驱动外接MOSFET的电荷泵•可编程欠压和过压保护和滞回•可编程多功能定时器•过流保护•上电时延时启动，有效避免热插拔时的抖动•发生保护后芯片锁死或者重试•PowerGood信号封装:MSOP-1030©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069的内部框图31©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069的电流和功率检测•限制热插拔时的浪涌电流•浪涌电流大小由设定的MOSFET最大允许功耗或设定的最大允许电流限制•MOSFET最大允许功耗由PWR引脚编程•PowerGood信号输出•具有电路断路控制，实现负载过流保护32©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069的MOSFET栅极驱动•芯片内部集成驱动外接N沟道MOSFET的栅极驱动电路和所需的电荷泵•上电初始时，门极驱动为100mA下拉恒流源，防止设备插入背板瞬间由于外接MOSFET的栅漏极电容造成其误导通33©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069的过、欠压保护和定时器•上电延迟启动，避免热插拔时输入电压的抖动影响芯片正常工作•过流信号必须持续一定时间才过流保护，避免噪声引起的误动作•可编程的欠、过压阈值和相应的滞环宽度34©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069如何限制外接MOSFET的电流大小•两个可编程的限制–外接MOSFET的最大允许电流限制Ids，限制浪涌电流的最大值–外接MOSFET的最大允许功耗限制Plimit，保护MOSFET工作在SOA区域•由最大允许功率限制Plimit决定的电流限制为:Ilimit=Plimit/Vds•实际情况中随着Vds的变化，流过MOSFET的电流最大值由Ids和limit中较小的者决定35©2007NationalSemiconductorCorporation采用电流限制和功率限制的热插拔IRF8010100V80AN-CHMOSFETD2PAK封装•80W功率限制，10A电流限制负载电容1000uF-Ids*Vds=80W并且Ids最大值为10A-电路刚开始工作时Vds为80VIds为1A-Vds8V时，Ids为10A-MOSFET始终工作在SOA以内并且输入电流最大值不会超过10A36©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069上电时的波形定时器超时最大电流限制最大功率限制定时器•橙：定时器电压•蓝：输出电容电压•红：MOSFET电流•绿：Vds电压•粉：MOSFET功耗37©2007NationalSemiconductorCorporationLM5069负载短路时响应波形定时器超时电路断路控制最大功率限制定时器•橙：定时器电压•蓝：输出电容电压•红：MOSFET电流•绿：Vds电压•粉：MOSFET功耗38