熱插拔管理電路TPS2390/1的原理與應(yīng)用

丁強(qiáng)

UT斯達(dá)康通訊有限公司

1 熱插拔概述

在今天的電子系統(tǒng)中，熱插拔能力已成為普遍的一個(gè)特性。當(dāng)模塊或者電纜插入到一個(gè)主系統(tǒng)或者背板時(shí)，它的作用首先是不中斷系統(tǒng)的電源，并且要不影響系統(tǒng)中正在傳送的信號(hào)和正在執(zhí)行的操作。目標(biāo)系統(tǒng)的范圍從小型消費(fèi)電子設(shè)備如筆記本電腦的外設(shè)、數(shù)碼相機(jī)和PDA一直到運(yùn)營(yíng)商級(jí)和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模的設(shè)備。在通信和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等領(lǐng)域熱插拔能力早就成為必須具備的特性。為了滿足高可用性和可維護(hù)性的要求，熱插拔能力在這些系統(tǒng)中已經(jīng)使用了多年。

在一個(gè)系統(tǒng)里面，當(dāng)一塊板卡插入機(jī)框時(shí)，板卡上的大電容會(huì)從系統(tǒng)中抽取巨大的瞬間電流。如果沒有某種形式的浪涌電流限制，這些電流可以高達(dá)幾百安培，尤其在電壓較高的系統(tǒng)。這樣大的瞬變會(huì)損壞連接器針腳，印刷電路板線路，可插拔組件。此外，電流尖峰會(huì)引起電源總線的電壓跌落，造成其它板卡復(fù)位。

2 TPS2309/1的工作原理

TPS2390和TPS2391是一種熱插拔電源管理器(HSPM)，可以把這些尖峰限制在預(yù)先設(shè)置的水平，以及控制電流變化率(di/dt)在某個(gè)設(shè)定值。這些器件使用一個(gè)外部的N溝道FET和檢測(cè)元件提供負(fù)載電流的閉環(huán)控制。輸入電源欠壓鎖定(UVLO)保護(hù)允許熱插拔電路根據(jù)電源狀態(tài)自動(dòng)開啟，或通過(guò)EN輸入端來(lái)控制。外部電容可以控制電流上升斜率和負(fù)載電壓上升超時(shí)時(shí)間。此外，對(duì)于板卡上電之后發(fā)生的短路故障由芯片內(nèi)部的過(guò)載比較器提供斷路保護(hù)。

TPS2390和TPS2391直接從輸入電源(標(biāo)稱電壓-48VDC)取電工作。-VIN引腳連接到負(fù)電壓源，RTN引腳連接到電源回路。內(nèi)部穩(wěn)壓器把輸入電壓轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部電路所需的電壓。輸入欠壓檢測(cè)電路將保持GATE輸出低電平直到電源電壓達(dá)到標(biāo)稱的30V。第二個(gè)比較器監(jiān)察EN輸入腳，該引腳必須被拉到1.4V的開啟閾值以上才能打開電源供給負(fù)載。

使能后當(dāng)輸入電壓高于欠壓鎖定(UVLO)門限，GATE端的下拉被解除，線性控制放大器(LCA)啟用，位于斜率控制模塊的大型放電器被關(guān)閉。隨后，一個(gè)小電流源開始給IRAMP引腳上的外部電容充電。IRAMP引腳上將形成一個(gè)線性電壓斜坡。電容器上的電壓斜坡實(shí)際上分為兩個(gè)獨(dú)立的斜坡。如圖1所示，充電電流分別來(lái)自兩個(gè)電流源。在開啟的最初階段600-nA的電流源被選中，由其提供一個(gè)緩慢的開啟速率。這個(gè)緩慢的開啟可以確保LCA脫離飽和狀態(tài)，并在正常速率充電前提升正相輸入端的電壓。這種機(jī)制有助于減少在開啟過(guò)程中電流的階越。一旦IRAMP引腳處的電壓達(dá)到約0.5V時(shí)，一個(gè)內(nèi)部比較器拉高SLOW信號(hào)，從而10μA的電流源被選中用于之后的開啟緩沖過(guò)程。

圖1

IRAMP引腳的電壓除以100后施加到LCA的正相輸入端。ISENS引腳的電壓包含負(fù)載電流大小的信息施加到反相輸入端，這個(gè)電壓來(lái)自于連接在ISENS和-VIN管腳之間的電流檢測(cè)電阻。LCA驅(qū)動(dòng)外部主回路FET的柵極，迫使ISENS引腳的電壓跟隨IRAMP引腳電壓的分壓變化。因此，負(fù)載電流的變化速率會(huì)跟隨IRAMP引腳的線性斜坡電壓，形成一個(gè)線性變化速率(di/dt)的負(fù)載電流。IRAMP電容會(huì)被一直充電到約6.5 V，但是LCA的輸入會(huì)被鉗位在40mV。因此，開啟過(guò)程中對(duì)負(fù)載的最大充電電流被限制在IMAX≤40mV/RSENSE，RSENSE為檢測(cè)電阻的值。

在控制器控制下的負(fù)載電流，以一種安全的方式給負(fù)載模塊的大容量輸入電容充電。在正常情況下，這個(gè)電容最終充電到直流輸入電壓。此時(shí)，負(fù)載的需求下降，在ISENS引腳的電壓降低。LCA立即驅(qū)動(dòng)GATE引腳到內(nèi)部電源電壓。14-V典型的輸出電平確保足夠的過(guò)驅(qū)動(dòng)使外部FET完全打開，同時(shí)不超過(guò)典型的20-V這個(gè)常見N通道功率FET的VGS額定值。

故障定時(shí)器的定時(shí)是通過(guò)連接在FLTTIME和-VIN引腳之間的一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)，從而允許用戶設(shè)定超時(shí)時(shí)間。只要熱插拔控制器在前面提到的電流控制模式下，LCA輸出過(guò)流指示(OC)，如圖1所示。過(guò)流故障定時(shí)器在IRAMP波形的慢速開啟部分是被抑制的。然而，一旦器件狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常電流斜率(VO(IRAMP)≥0.5 V)，外部電容開始由50μA電流源充電，在FLTTIME引腳產(chǎn)生斜坡電壓。如果該電壓達(dá)到4-V的故障閾值，故障狀態(tài)被鎖定，OD門被打開輸出外部故障告警信號(hào)。故障定時(shí)電容停止充電，并開始放電。此外，鎖定的故障狀態(tài)導(dǎo)致IRAMP電容快速放電。在這種方式下緩啟動(dòng)功能得到復(fù)位，并準(zhǔn)備在條件允許的情況下再次使能輸出。

一旦故障狀態(tài)超時(shí)發(fā)生，TPS2390將因故障而閉鎖，放電信號(hào)(DCHG)打開一個(gè)大的NMOS器件迅速泄放外部電容的電荷，使器件復(fù)位時(shí)定時(shí)器同時(shí)復(fù)位。TPS2390只能通過(guò)上下電或切換EN輸入才能重新工作。

在故障狀態(tài)鎖定發(fā)生后，TPS2391進(jìn)入故障重啟模式，周期性的重啟負(fù)載以測(cè)試故障是否持續(xù)存在。在這種模式下，F(xiàn)LTTIME電容由一個(gè)約0.4-μA恒流源慢慢地泄放。當(dāng)FLTTIME引腳上的電壓跌落到低于0.5 V時(shí)，LCA和緩啟動(dòng)控制電路被重新使能，然后正常導(dǎo)通的電流斜坡隨之而來(lái)。再次，在負(fù)載充電過(guò)程中OC信號(hào)導(dǎo)致的FLTTIME電容充電，直到下一個(gè)延遲周期過(guò)后。FLTTIME電容連續(xù)的充電和放電形成一個(gè)典型值為1%的重啟占空比。如果故障消退(GATE引腳驅(qū)動(dòng)高電平輸出)，定時(shí)電容迅速放電，占空比操作停止，故障狀態(tài)鎖定復(fù)位。

需要注意的是，因?yàn)楣收隙〞r(shí)器在最初的慢速斜坡期間是被抑制的，所以實(shí)際上占空比略大于1%的標(biāo)稱值。然而，在這段時(shí)間里峰值電流只有最高限額的八分之一左右。正常斜坡和恒定電流期間的占空比約是1%。

定時(shí)器模塊內(nèi)的故障邏輯自動(dòng)管理電容的充電和放電速率(DCHG信號(hào))，以及使能GATE引腳的輸出(ON信號(hào))。對(duì)于TPS2391，故障告警在重啟模式期間連續(xù)輸出，直到故障狀態(tài)被清除為止。

這兩個(gè)熱插拔控制器包含一個(gè)監(jiān)控ISENS引腳電壓的過(guò)載比較器。如果檢測(cè)到Sense電壓超過(guò)了100mV則故障定時(shí)器被旁路，故障狀態(tài)被立即鎖定，LCA被禁用，F(xiàn)ET的柵極被迅速下拉。定時(shí)器模塊有一個(gè)4-μs的尖峰脈沖過(guò)濾器，以幫助減少雜波干擾導(dǎo)致的OL信號(hào)輸出。正如過(guò)流(OC)故障，TPS2390輸出因鎖定而關(guān)閉。對(duì)于TPS2391，過(guò)載(OL)故障導(dǎo)致定時(shí)器電容充電，啟動(dòng)故障重啟定時(shí)。

3 TPS2309/1應(yīng)用要點(diǎn)

圖2

實(shí)際的電路組成如圖2所示。如果需要兩個(gè)或多個(gè)FET并聯(lián)使用，每個(gè)FET的柵極都要分別串上10Ω左右的電阻與GATE引腳相連，并使每個(gè)FET的布線和其它參數(shù)保持一致以避免電路振蕩。

由于內(nèi)部LCA的限流作用，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)電阻值可以很容易的設(shè)定所允許的最大負(fù)載電流。最大檢測(cè)電阻值RSENSE可以用下面公式確定。

其中：

RSENSE是檢測(cè)電阻值，單位為Ω。

IMAX是期望的最大電流限值，單位為A。

啟動(dòng)時(shí)斜坡電流的控制由CIRAMP的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。CIRAMP可以用下面公式確定，單位為μF。

其中：

RSENSE是檢測(cè)電阻值，單位為Ω。

(di/dt)MAX是期望的最大電流變化率，單位為A/s。

故障定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間由CFLTTIM來(lái)設(shè)定。超時(shí)時(shí)間內(nèi)允許系統(tǒng)有運(yùn)行中可能產(chǎn)生的雜散電流毛刺和浪涌，防止一些不確定的原因引起保護(hù)電路誤動(dòng)作。CFLTTIM可以用下面公式確定，單位為F。

其中：

IFLTTIM是充電電流(50 μA)。

t(max)是期望的最大超時(shí)時(shí)間，單位為s。

VCFLTTIM是標(biāo)稱電壓4V。

功率FET的選擇不僅要考慮正常啟動(dòng)時(shí)的情況，還要考慮到故障狀態(tài)下的情況，要按最壞情況選擇器件。根據(jù)前面確定的最大工作電流、最高工作電壓、故障定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間和工作環(huán)境溫度，對(duì)應(yīng)FET的安全工作曲線（SOA）尋找合適的FET。

4 結(jié)束語(yǔ)

這個(gè)由TPS2390/1作為控制器的熱插拔電路經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試符合設(shè)計(jì)預(yù)期，對(duì)受此電路保護(hù)的板卡在運(yùn)行的系統(tǒng)中進(jìn)行插拔時(shí)，不會(huì)影響其他板卡和設(shè)備的正常運(yùn)行。模擬板卡損壞時(shí)，也可以保證系統(tǒng)中的其他板卡不受影響保持正常工作狀態(tài)。

[1]TPS2390/TPS2391 Simple -48-V Hot Swap Controller Datasheet (SLUS471D), Texas Instruments Incorporated, January 2008

[2]Performance Comparison of Integrated Circuit Controllers for Hot Swap in Telecom Systems, Andrew Ripanti, July 2003