5通道(3路+V和2路-V)熱插拔參考設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹5通道熱插拔電路，它可以同時(shí)處理順序接通的正負(fù)輸入電壓。其獨(dú)特的配置支持兩路沒(méi)有斷路器保護(hù)的負(fù)壓通道，以及由一個(gè)MAX5927A正電壓熱插拔控制器控制的3路正電源通道。提供的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，電路滿足5路電源所要求的負(fù)載供電和上電排序要求。

引言

本文介紹的5通道電路雖然只采用了一個(gè)MAX5927A 4通道熱插拔控制器，卻可以實(shí)現(xiàn)3路正電源和2路負(fù)電源的熱插拔功能。圖1電路滿足以下負(fù)載供電和上電排序要求：

• 2A時(shí)，Ch1 = +3.3V (電路在 ≥ 3A時(shí)斷電)
• 1.6A時(shí)，Ch2 = +5V (電路在 ≥ 2.4A時(shí)斷電)
• 2A時(shí)，Ch3 = +12V (電路在 ≥ 3A時(shí)斷電)
• 150mA時(shí)，Ch4 = -12V (沒(méi)有電路斷電動(dòng)作)
• 50mA時(shí)，Ch5 = -5V (沒(méi)有電路斷電動(dòng)作)
• 啟動(dòng)順為：通道2 (+5V)和通道3 (+12V)在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖綍r(shí)立即接通。STAT2和STAT3在低電平有效CARD_PRESENT變?yōu)榈碗娖?0.8ms后，變?yōu)楦唠娖健?
• 通道1 (+3.3V)相對(duì)于通道2和通道3延遲11.8ms接通。通道1接通10.8ms后，STAT1變?yōu)楦唠娖健?
• 通道4 (-12V)和通道5 (-5V)相對(duì)于通道2和通道3延遲27.8ms接通。通道4和通道5接通10.8ms后，STAT4變?yōu)楦唠娖健?
• 鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所有通道將被關(guān)閉，直到低電平有效CARD_PRESENT進(jìn)入下一關(guān)斷和接通周期。

圖1. 5通道熱插拔電路控制3路正電源和2路負(fù)電源

雖然延遲要求和故障管理是針對(duì)這一設(shè)計(jì)的，但可以改變這一延遲以滿足其他時(shí)序要求。如果需要，故障管理可以改為自動(dòng)重試模式。

熱插拔控制器選擇

之所以選擇MAX5927A，是由于它具有特殊的+15V絕對(duì)最大輸入電壓，而MAX5927是14V。如果12V供電電路采用了鏡像電路電感，斷路器過(guò)載時(shí)電路開(kāi)路，使得12V電路可能出現(xiàn)供電電壓振鈴和過(guò)沖，那么這一電壓優(yōu)勢(shì)就顯得非常重要。

接通時(shí)序

電阻R36 (在IC引腳10)將每一通道的接通時(shí)間設(shè)置為10.8ms ±2.8ms。在此期間，MAX5927A的內(nèi)部低速比較器被禁止，使負(fù)載電容充電電流能夠達(dá)到通道1至通道3每一通道預(yù)設(shè)電流觸發(fā)值的兩倍，以滿足要求。在此期間，不需要觸發(fā)斷路器，負(fù)載電容很容易充電至最終值。在4kΩ和500kΩ之間調(diào)整R36，可以使啟動(dòng)延時(shí)設(shè)置在400μs (最小)到50ms (最大)之間的任意值。在這一啟動(dòng)時(shí)間的最后，STAT輸出從FALSE至TRUE的瞬變。STAT輸出為正，但也可以通過(guò)接地POL (引腳29)設(shè)置為負(fù)。

通過(guò)(R29 + R30) - C16時(shí)間常數(shù)將通道1相對(duì)于通道2和通道3延時(shí)11.8ms接通；可以增大C16以加大延時(shí)。通道1開(kāi)始接通10.8ms后，STAT1變?yōu)楦唠娖健?br>
通過(guò)(R29 + R31) - C17時(shí)間常數(shù)將通道4和通道5相對(duì)于通道2和通道3延時(shí)28ms接通；可以增大C17以加大延時(shí)，或者減小R31，以縮短延時(shí)。通道4和通道5開(kāi)始接通10.8ms后，STAT4變?yōu)楦唠娖健?br>
MODE置位(開(kāi)引腳28)以配置MAX5927A為上電排序模式。

輸出電壓擺率

所有通道輸出電壓擺率設(shè)置為約1V/ms，數(shù)值與負(fù)載電容(C11至C15)值無(wú)關(guān)?？梢孕薷腃6至C10柵極電容值以改變擺率。擺率計(jì)算為ΔV/Δt = IGATE/CGATE。由于計(jì)算中并沒(méi)有包括FET柵極電容，因此，該方程并不是很精確。GATE1、GATE2和GATE3的柵極充電電流約為100μA。由于R10和R11電流的原因，Q4和Q5的柵極充電電流為30μA到50μA。負(fù)載電容充電電流可以計(jì)算為ICHARGE = CLOAD × ΔV/Δt。它由IGATE/CGATE = ICHARGE/CLOAD得出。電容C8至C10使通道1到通道3的輸出達(dá)到約1V/ms擺幅。沒(méi)有負(fù)載時(shí)，C13至C15以大約0.5A的電流充電，直到達(dá)到滿幅輸出。如果沒(méi)有C8至C10，輸出以兩倍于上面計(jì)算電流觸發(fā)值的電流對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電。電容C6和C7為10nF，使通道4和通道5的擺幅大約為1V/ms。

斷路器門限

21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R7 = R9 = 8.3mΩ設(shè)置了通道1 (+3.3V)和通道3 (+12V)的限流值。默認(rèn)值乘以1.13以及R33 = R35 = 1.15kΩ，得到大約3.1A至3.8A的最終值。21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R8 = 10mΩ設(shè)置通道2 (+5V)限流值。默認(rèn)值乘以1.15以及R34 = 1.18kΩ，得到大約2.415A至3.625A的最終值。通過(guò)調(diào)整檢測(cè)電阻R7到R9以及ISET電阻R33到R35來(lái)設(shè)置其他的限流值。可以從數(shù)據(jù)資料提供的曲線中確定默認(rèn)乘數(shù)。限流斷路器不對(duì)低電流通道4 (-12V)和通道5 (-5V)提供保護(hù)。

內(nèi)部上拉把LATCH置為高電平，將MAX5927A配置為鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個(gè)出現(xiàn)故障，所有通道將被關(guān)斷，直到低電平有效CARD_PRESENT進(jìn)入下一關(guān)斷和接通周期。

負(fù)電壓通道4和通道5

MAX5927A設(shè)計(jì)用于控制正電壓電路。然而，從MAX5927A的GATE4輸出可以獲得負(fù)電壓通道Q4和Q5大約4.2V的柵極驅(qū)動(dòng)，這一輸出由晶體管Q5和Q6以及電阻R4–R7進(jìn)行修改。

GATE4的柵極充電電流輸出是60μA至100μA，但是在對(duì)稱電路R4–Q7和R5-Q6中被分成30μA至50μA。GATE4的電壓可以比VIN4(3.3V)高5.3V，或者接通時(shí)≤+8.6V，關(guān)斷時(shí)接近0V。接通時(shí)，VQ6(BASE) = VQ7(BASE) = 3.3V，VQ6(EMITTER) = VQ7(EMITTER) ≈ 3.9V，關(guān)斷時(shí)為0V。R4和R5上相等的壓降使得Q6和Q7均分電流。R6和R7上相等的電流在Q4和Q5上產(chǎn)生相等的柵極驅(qū)動(dòng)。關(guān)斷狀態(tài)下，GATE4 = 0V時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)為0V。Q4和Q5的關(guān)斷速度取決于流過(guò)R6至R7的柵極放電電流。

FET選擇

所有通道，除了+12V通道，采用了SOT23封裝的n通道MOSFET直通晶體管；每一FET原理圖列出了VGS = 4.5V和TJ = +25°C時(shí)的最大RDS(ON)。VGS(max) = 20V (Si9410)的MOSFET被用于+12V通道。

總結(jié)

電路滿足所有的負(fù)載和上電排序設(shè)計(jì)要求—處理3個(gè)正電壓和2個(gè)負(fù)電壓通道，具有合適的順序接通時(shí)序、大于所需最小值的過(guò)電流觸發(fā)點(diǎn)，以及大約1V/ms的輸出擺率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

+5V和+12V通道的+3.3V延時(shí) = 11.8ms (請(qǐng)參考圖2)

+3.3V通道的-5V延時(shí) = 16.2ms (請(qǐng)參考圖3)

-5V負(fù)載關(guān)斷時(shí)間 = 1ms (請(qǐng)參考圖4和圖5)

-12V負(fù)載關(guān)斷時(shí)間 = 4ns (請(qǐng)參考圖6和圖7)

-12V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖8)

-12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 80mA (請(qǐng)參考圖9)

-5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖10)

-5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 55mA (請(qǐng)參考圖11)

+3.3V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖12)

+3.3V負(fù)載電容充電電流 ≈ 400mA (請(qǐng)參考圖12)

3A負(fù)載+3.3V接通，不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖13)

+3.3V斷路器在3.22A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖14)

+5V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請(qǐng)參考圖15)

+5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請(qǐng)參考圖15)

2.4A負(fù)載+5V接通，不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖16)

+5V斷路器在2.87A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖17)

+12V負(fù)載電容充電電流 ≈ 500mA (請(qǐng)參考圖18)

3A負(fù)載+12V接通，不觸發(fā)斷路器(請(qǐng)參考圖19)

+12V斷路器在3.1A時(shí)關(guān)斷(請(qǐng)參考圖20)

+5V在 ≈ 4A時(shí)啟動(dòng)短路電路(請(qǐng)參考圖21)

+12V在 ≈ 5.7A時(shí)啟動(dòng)短路電路(請(qǐng)參考圖22)

測(cè)試結(jié)果

圖2. +12V至+3.3V接通延時(shí)，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE(CARD_PRESENT), Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注釋：+12VOUT和+3.3VOUT之間有11.8ms延時(shí)。


圖3. +3.3V至-5V接通延時(shí)，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注釋：+3.3VOUT和-5VOUT之間有16.2ms延時(shí)。


圖4. -5V柵極相對(duì)于+3.3VGATE關(guān)斷，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = -5VGATE
注釋：-5V柵極關(guān)斷較慢；當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時(shí)，F(xiàn)ET關(guān)斷。由此，正電壓通道關(guān)斷1.5ms至4ms后，-5V柵極完全關(guān)斷。


圖5. -5V負(fù)載關(guān)斷，50mA負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-5V)沒(méi)有達(dá)到0V，-5V在1ms內(nèi)下降至零。


圖6. -12V柵極關(guān)斷，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +12VGATE, Ch4 = -12VGATE
注釋：-12V柵極關(guān)斷較慢；當(dāng)1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時(shí)，F(xiàn)ET關(guān)斷。由此，正電壓通道關(guān)斷1ms至4ms后，-12V柵極完全關(guān)斷。


圖7. -12V負(fù)載關(guān)斷，150mA負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：雖然由于輸出電容放電導(dǎo)致VOUT(-12V)沒(méi)有達(dá)到0V，-12V輸入在4ms內(nèi)降到零。


圖8. -12V接通波形
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：接通順序，80Ω阻性負(fù)載 = 150mA。


圖9. -12V接通波形，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：IIN(PK) = 80mA，對(duì)輸出電容充電。


圖10. -5V接通波形，100Ω阻性負(fù)載 = 50mA
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：-5V擺率大約為1V/ms。


圖11. -5V接通波形，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：IIN(PK) = 55mA，對(duì)輸出電容充電。


圖12. +3.3V接通波形，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)
注釋：IIN(PK) = 400mA，對(duì)輸出電容充電；+3.3V擺率大約為1V/ms。


圖13. +3.3V接通波形，1.1Ω負(fù)載 = 3A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)


圖14. +3.3V過(guò)流關(guān)斷
Ch1 = STAT1, Ch2 = VGATE (+3.3V), Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為3.22A。*


圖15. +5V接通負(fù)載電容充電電流，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)
注釋：IIN(PK) = 500mA，對(duì)輸出電容充電。


圖16. +5V接通電流，2.083Ω負(fù)載 = 2.4A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)


圖17. +5V過(guò)流關(guān)斷
Ch1 = STAT2, Ch2 = VGATE (+5V), Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IOUT(+5V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為2.87A。


圖18. +12V啟動(dòng)電流，沒(méi)有負(fù)載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)
注釋：IIN(+12Vpk) = 500mA，對(duì)輸出電容充電。


圖19. +12V接通電流，4Ω負(fù)載 = 3A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)


圖20. +12V過(guò)流關(guān)斷
Ch1 = STAT3, Ch2 = VGATE (+12V), Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負(fù)載放電。測(cè)得的觸發(fā)電流為3.1A。


圖21. 短路電路的+5V啟動(dòng)電流
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VOUT, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = IIN(+5V)
注釋：觸發(fā)時(shí)的4A負(fù)載電流。


圖22. 短路電路的+12V啟動(dòng)電流
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = VOUT, Ch3 = VGATE, Ch4 = IOUT
注釋：觸發(fā)時(shí)的5.7A負(fù)載電流。

測(cè)試PCB布板

更詳細(xì)的圖(PDF, 237kB)
圖23. 參考設(shè)計(jì)PCB元件布局


更詳細(xì)的圖(PDF, 330kB)
圖24. 頂層


圖25. 底層

材料清單

Qty	Designator	Description	Manufacturer and Part Number
5	C1, C2, C3, C4, C5	1μF ±10%, 25V X7R ceramic capacitors (0805)	—
3	C6, C7, C18	10nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitors (0805)	—
1	C8	56nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C9	68nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C10	100nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C11	47μF ±20%, 6.3V X5R electrolytic capacitor (1210)	TDK C3225X5R0J476M
1	C12	100μF +80%, -20%; 16V Y5V ceramic capacitor (2220)	TDK C5750Y5V1C107Z
3	C13, C14, C15	470μF ±20%, 16V electrolytic capacitors	—
1	C16	15nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C17	33nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
2	D1, D2	75V, 200mW silicon diodes (SOD-323)	Diodes Inc. MMBD4148WS
2	Q1, Q2	20V, 4.9A, 33mΩ n-channel MOSFETs (SOT23)	Vishay Si2314BDS
1	Q3	30V, 6.9A, 33mΩ n-channel MOSFET (8-SO)	Vishay Si9410BDY
2	Q4, Q5	30V, 4A, 47mΩ n-channel MOSFETs (SOT23)	Vishay Si2306BDS
2	Q6, Q7	60V, 800mA bipolar PNP transistors (SOT23)	Fairchild MMBT2907
1	Q8	40V, 1A bipolar NPN transistor (SOT23)	Fairchild MMBT2222A
10	R1, R2, R3, R4, R5, R24, R25, R26, R27, R32	100kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R6	1Ω ±5%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
2	R7, R9	0.008Ω ±1%, 1/4W thick-film resistors (2512)	—
1	R8	0.010Ω ±1%, 1/4W thick-film resistor (2512)	—
2	R10, R11	90.9kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R12, R13	133kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R14, R15	15kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
3	R16, R17, R18	4.7kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0603)	—
5	R19, R20, R21, R22, R23	10kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R28	20kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
2	R29, R36	100kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R30, R31	910kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R33, R35	1.15kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R34	1.18kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
1	U1	Quad hot-swap controller IC, 32-TQFN-EP	Maxim MAX5927AETJ

*注意，圖14、圖17和圖20使用了特殊的電流探針，只顯示了真值的72%。使用可調(diào)恒流負(fù)載測(cè)量斷路器電流，標(biāo)出了關(guān)斷時(shí)的點(diǎn)。