基于IC的熱插拔電路保護(hù)的優(yōu)勢

有許多方法可以保護(hù)系統(tǒng)免受靜電放電 （ESD）、浪涌電流、過流、欠壓、過壓和其他電源中斷的影響。UL、USB、IEEE、CSA 或 IEC 等行業(yè)、公司或監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)通常需要電路保護(hù)。本應(yīng)用筆記討論熱插拔IC。介紹了典型的熱插拔電路，并解釋了不同熱插拔電路的優(yōu)點(diǎn)。

熱插拔電路的基礎(chǔ)知識

熱插拔電路可保護(hù)設(shè)備、人員或兩者兼而有之。例如，某些電源具有內(nèi)置和可調(diào)電流限制（熱插拔電路中的標(biāo)準(zhǔn)配置），可防止在熱插拔事件期間損壞電源和供電電路。典型的 RAID 和電信系統(tǒng)具有熱插拔功能，可即時更換電路板或磁盤驅(qū)動器。

熱插拔至少要求您限制浪涌電流，以防止在大容性負(fù)載通電時出現(xiàn)系統(tǒng)范圍的掉電。限流還有助于減小源電源的尺寸，并限制連接器觸點(diǎn)處的電弧。其他熱插拔特性包括：低串聯(lián)電阻、斷路器動作、狀態(tài)指示、雙插入點(diǎn)檢測和電源良好信號。

熱插拔 IC 等保護(hù)電路增加了組件和成本，同時增加了設(shè)計和測試系統(tǒng)的時間。盡管如此，這些缺點(diǎn)必須與與未受保護(hù)的系統(tǒng)相關(guān)的無形成本（在設(shè)計人員心目中并不總是最重要的）進(jìn)行權(quán)衡：設(shè)備損壞、系統(tǒng)停機(jī)、人身傷害和由此產(chǎn)生的訴訟、更換和維修成本、技術(shù)人員工資。這個清單可以繼續(xù)下去。

熱插拔功能的引入可以通過允許更小的主電源來立即抵消系統(tǒng)成本。降低電源必須提供的浪涌電流水平允許更小的濾波電容器和更小的電源。其他優(yōu)點(diǎn)包括更小尺寸的布線和電路走線、更小和更便宜的電路連接器，以及電源路徑中通常更小的組件。

最簡單的限流元件是保險絲，可以單獨(dú)使用，也可以與其他保護(hù)元件結(jié)合使用。由于保險絲可有效防止過電流，因此它們要么是必需的（例如，在UL批準(zhǔn)的電路中），要么作為發(fā)生災(zāi)難性故障時的最后保護(hù)。

對于標(biāo)準(zhǔn)保險絲，主要的缺點(diǎn)是它們的一次性使用。另一種選擇是polyfuse，這是一種類似的設(shè)備，根據(jù)流過它的電流產(chǎn)生的熱量進(jìn)行物理膨脹和收縮。與溫度相關(guān)的聚保險絲具有有限的電壓工作范圍，但它可以自行復(fù)位，這是與標(biāo)準(zhǔn)保險絲相比的優(yōu)勢。

典型熱插拔電路

電容器-齊納-場效應(yīng)管組合

熱插拔應(yīng)用中的常見電路是電容-齊納-FET 組合（圖 1a 和 1b）。該電路通過在Q1的柵源結(jié)上對C1充電來限制浪涌電流。假設(shè)C1在通電時放電，電路通過在柵源結(jié)兩端充當(dāng)短路來保持Q1關(guān)斷。當(dāng) C1 充電時，V一般事務(wù)人員增加并允許 Q1 緩慢打開。C1 和 V 的尺寸一般事務(wù)人員Q1的特性決定了Q1導(dǎo)通負(fù)載電容（C2）和充電的速度。

圖 1a.分立式“電容齊納FET”熱插拔電路使用C1的充電速率來控制Q1的導(dǎo)通。如圖1b的示波器圖所示。

圖 1b. CH1 為負(fù)載電流;CH2是Q1柵極電壓。

在圖1中，齊納二極管ZD1可防止Q1柵源結(jié)超過其最大額定值。（請注意，V一般事務(wù)人員圖1a中的最大值（±20V）太小，無法承受24V工業(yè)或48V電信應(yīng)用。如果快速循環(huán)電源，負(fù)載電容可以放電，同時C1保持足夠的電量以維持Q1導(dǎo)通。這種情況會削弱限流功能，從而在恢復(fù)電源時允許較大的電流浪涌。電容齊納FET拓?fù)溥€有另一個缺點(diǎn)：電流限制僅在上電期間激活，并且僅在C1放電時激活。一旦通電，電路就不能防止過流和短路情況。保險絲通常用于此目的。

PNP 晶體管和檢流電阻器

另一個用于熱插拔應(yīng)用的電路（圖2a和2b）使用PNP晶體管（Q1）和電流檢測電阻（R1）來提供連續(xù)電流檢測和限制。當(dāng)通電時，電流通過R1和Q2流向負(fù)載。流經(jīng)R1的電流產(chǎn)生V型是Q1的偏置電壓。如果電流大到足以使Q1偏置導(dǎo)通，則Q1通過降低Q2的柵極-源極電壓來限制通過Q2到負(fù)載的傳導(dǎo)。請注意，可以在Q2的柵源結(jié)上添加一個齊納二極管（如圖1a所示），以防止Q2和V過壓行政長官第一季度細(xì)分。

圖 2a.另一個熱插拔電路通過PNP晶體管（Q2）實(shí)現(xiàn)電流檢測和1A限制。圖2b中的導(dǎo)通波形說明了這一點(diǎn)。

圖 2b. CH1 是最新的;CH2是Q2柵極電壓。

與圖1a不同，該電路的一個優(yōu)點(diǎn)是電流限制始終使能。這種積極的特性也有一個缺點(diǎn)：R1與負(fù)載串聯(lián)時增加了功耗。此外，由于Q20的V，電流限制可能會變化多達(dá)±1%是溫度范圍從 -40°C 到 +85°C 不等。 圖1a（以及圖2a，如果添加）中的齊納二極管應(yīng)足夠小以保護(hù)晶體管，但又足夠大，以使FET具有ID同時最小化 RDS（ON）.

熱插拔電路的優(yōu)勢

基于IC的熱插拔電路在小型封裝中提供了許多功能，并且只需要很少的外部元件。例如，圖3a顯示了一個低壓熱插拔應(yīng)用，該應(yīng)用只需要一個檢流電阻（R1）和串聯(lián)調(diào)整元件（Q1），工作電壓范圍為2.7V至13.2V。該電路提供浪涌電流限制（圖3b）和雙路過流故障保護(hù)，包括MAX4370對高振幅電路故障的快速響應(yīng)和對低幅度、破壞性過流條件的慢響應(yīng)。

圖 3a.使用MAX4370的基于IC的熱插拔電路具有更高的精度，使用很少的元件。

圖 3b.注意 I 的限制負(fù)荷在啟動波形的示波器圖中。數(shù)據(jù)由MAX4370熱插拔控制器產(chǎn)生。

MAX4370具有連續(xù)電流監(jiān)測功能，圖2a電路也是如此。然而，基于MAX4370的版本比圖2a的分立版本具有更好的初始精度和更好的溫度性能。圖2a中的PNP晶體管具有典型的V是漂移為2mV/°C，從+120°C開始，在-40°C至+85°C范圍內(nèi)產(chǎn)生近似±25mV的輸出變化。 然而，圖4370a中的MAX3對于慢速和快速限流比較器的最大漂移分別為±6.5mV和±20mV。

晶體管很少指定V是，但MAX4370的電壓跳變點(diǎn)定義明確且低得多：50mV千，是V的十二分之一是在 0.6V 時。結(jié)果是檢測電阻更小，功率損耗更小。此外，基于IC的電路可以完成圖1a和2a電路無法做到的事情：

利用成本更低的 n 溝道 MOSFET

提供狀態(tài)輸出

響應(yīng)低級和高級故障條件

提供電源控制引腳 （ON），適用于負(fù)載控制或雙卡插入引腳檢測

提供自動重試和鎖存故障管理

提供I2C兼容接口

檢測過熱并提供熱關(guān)斷

支持多電壓系統(tǒng)和特定應(yīng)用，如 PCI-Express 標(biāo)準(zhǔn)?

圖4370a中的MAX3還可用作斷路器，在檢測到故障時閉鎖負(fù)載斷電。如果應(yīng)用需要自動重試或15V電感反沖保護(hù)，可以替代MAX4272或MAX4273熱插拔控制器。

與分立電路相比，基于IC的高壓熱插拔電路可以節(jié)省空間。像MAX23（圖5902a和4b）這樣的SOT4尺寸控制器工作在9V至72V電壓，只需一個外部p溝道MOSFET （Q1）即可基本工作。該電路不需要檢流電阻來限制浪涌電流或檢測故障條件。相反，它采用R作為電流檢測元件DS（ON）p溝道MOSFET （Q1）。

圖 4a.MAX5902等專用熱插拔IC簡化了應(yīng)用。

圖 4b.導(dǎo)通波形以 2ms/div 表示。數(shù)據(jù)由MAX5902產(chǎn)生。

MAX5902控制器在首次通電時保持MOSFET關(guān)斷。如果ON/OFF引腳保持低電平，電源電壓低于欠壓鎖定（UVLO）電平，或者芯片溫度超過+125°C （典型值），則它無限期地保持關(guān)斷狀態(tài)。如果內(nèi)置導(dǎo)通延遲到期（典型值為150ms，典型值）時，這些條件均不適用，MAX5902逐漸導(dǎo)通Q1。在此導(dǎo)通階段，控制器緩慢增強(qiáng)Q1，允許負(fù)載上的電壓（Q1漏極）以9V/ms的典型速率上升。

因此，流向負(fù)載的浪涌電流被限制在與負(fù)載電容和恒定壓擺率成比例的水平：I限制（典型值）= C負(fù)荷× 9V/ms在Q1完全增強(qiáng)并且負(fù)載電壓穩(wěn)定到其最終值后，Q1兩端的壓降（I負(fù)荷×·DS（ON））由MAX5902監(jiān)測故障。如果壓降超過斷路器的閾值，控制器將關(guān)閉Q1并立即斷開負(fù)載。

與分立元件電路不同，圖4a電路具有熱關(guān)斷保護(hù)、UVLO保護(hù)、帶ON/OFF引腳的關(guān)斷和電源良好（P好） 狀態(tài)信號。MAX5902提供或不帶斷路器功能，斷路器提供自動重試或閉鎖選項。

要實(shí)現(xiàn)接受-9V至-100V的系統(tǒng)，如電信應(yīng)用中的-48V，可以用MAX5900或MAX5901熱插拔控制器代替MAX5902。

單個基于IC的熱插拔控制器可以取代許多分立元件和微處理器監(jiān)控IC;它還可以支持多個輸出并添加排序/跟蹤功能。MAX5927為四通道熱插拔控制器，可保護(hù)便攜式計算機(jī)設(shè)備等多電源系統(tǒng)。它允許設(shè)計人員將輸入電壓軌配置為按順序打開/關(guān)閉、相互跟蹤或獨(dú)立工作。

圖5.單個熱插拔IC控制多電源應(yīng)用中的四個不同電源軌。

在更復(fù)雜的應(yīng)用中，需要保護(hù)多個電源軌并應(yīng)考慮特定要求，因此不能選擇采用分立元件設(shè)計的電路。專為特定應(yīng)用設(shè)計的基于 IC 的熱插拔控制器可提供所需的功能，并根據(jù)需要控制整個系統(tǒng)。例如，MAX5915/MAX5916允許將PCI卡安全地插入和拔出帶電PCI插槽或背板。這些 IC 通過少量外部組件為兩個 PCI 卡的 3.3V、5V、±12V 和 3.3V 輔助電源提供獨(dú)立的電源控制。MAX5943為將FireWire外設(shè)安全插入和拔出到帶電的FireWire端口提供了簡單而可靠的解決方案。該 IC 只需兩個外部 MOSFET 和一個檢測電阻即可實(shí)現(xiàn)基本操作，同時為 FireWire 應(yīng)用提供完全集成的電源管理控制。??

總結(jié)

與分立控制器相比，IC熱插拔控制器具有許多優(yōu)勢。雖然分立電路的成本低于熱插拔IC，但在魯棒性、停機(jī)時間和維修成本方面，它們對整個系統(tǒng)的成本可能更高。事實(shí)上，更大的主電源和更堅固的布線和連接器只是與分立元件相關(guān)的一些有形成本。熱插拔IC具有分立式設(shè)計所缺乏的優(yōu)勢：用于負(fù)載控制和電路板插入檢測的STATUS輸出、熱關(guān)斷、UVLO和關(guān)斷（開/關(guān)）輸入。

審核編輯：郭婷