5通道(3路+V和2路-V)热插拔参考设计

2023-03-31

引言

本文介绍的5通道电路虽然只采用了一个MAX5927A 4通道热插拔控制器，却可以实现3路正电源和2路负电源的热插拔功能。图1电路满足以下负载供电和上电排序要求：

  • 2A时，Ch1 = +3.3V (电路在 ≥ 3A时断电)
  • 1.6A时，Ch2 = +5V (电路在 ≥ 2.4A时断电)
  • 2A时，Ch3 = +12V (电路在 ≥ 3A时断电)
  • 150mA时，Ch4 = -12V (没有电路断电动作)
  • 50mA时，Ch5 = -5V (没有电路断电动作)
  • 启动顺为：通道2 (+5V)和通道3 (+12V)在低电平有效CARD_PRESENT变为低电平时立即接通。STAT2和STAT3在低电平有效CARD_PRESENT变为低电平10.8ms后，变为高电平。
  • 通道1 (+3.3V)相对于通道2和通道3延迟11.8ms接通。通道1接通10.8ms后，STAT1变为高电平。
  • 通道4 (-12V)和通道5 (-5V)相对于通道2和通道3延迟27.8ms接通。通道4和通道5接通10.8ms后，STAT4变为高电平。
  • 锁存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一个出现错误，所有通道将被关闭，直到低电平有效CARD_PRESENT进入下一关断和接通周期。

图1. 5通道热插拔电路控制3路正电源和2路负电源

图1. 5通道热插拔电路控制3路正电源和2路负电源

虽然延迟要求和故障管理是针对这一设计的，但可以改变这一延迟以满足其他时序要求。如果需要，故障管理可以改为自动重试模式。

热插拔控制器选择

之所以选择MAX5927A，是由于它具有特殊的+15V绝对最大输入电压，而MAX5927是14V。如果12V供电电路采用了镜像电路电感，断路器过载时电路开路，使得12V电路可能出现供电电压振铃和过冲，那么这一电压优势就显得非常重要。

接通时序

电阻R36 (在IC引脚10)将每一通道的接通时间设置为10.8ms ±2.8ms。在此期间，MAX5927A的内部低速比较器被禁止，使负载电容充电电流能够达到通道1至通道3每一通道预设电流触发值的两倍，以满足要求。在此期间，不需要触发断路器，负载电容很容易充电至最终值。在4kΩ和500kΩ之间调整R36，可以使启动延时设置在400µs (最小)到50ms (最大)之间的任意值。在这一启动时间的最后，STAT输出从FALSE至TRUE的瞬变。STAT输出为正，但也可以通过接地POL (引脚29)设置为负。

通过(R29 + R30) - C16时间常数将通道1相对于通道2和通道3延时11.8ms接通；可以增大C16以加大延时。通道1开始接通10.8ms后，STAT1变为高电平。

通过(R29 + R31) - C17时间常数将通道4和通道5相对于通道2和通道3延时28ms接通；可以增大C17以加大延时，或者减小R31，以缩短延时。通道4和通道5开始接通10.8ms后，STAT4变为高电平。

MODE置位(开引脚28)以配置MAX5927A为上电排序模式。

输出电压摆率

所有通道输出电压摆率设置为约1V/ms，数值与负载电容(C11至C15)值无关。可以修改C6至C10栅极电容值以改变摆率。摆率计算为ΔV/Δt = IGATE/CGATE。由于计算中并没有包括FET栅极电容，因此，该方程并不是很精确。GATE1、GATE2和GATE3的栅极充电电流约为100µA。由于R10和R11电流的原因，Q4和Q5的栅极充电电流为30µA到50µA。负载电容充电电流可以计算为ICHARGE = CLOAD × ΔV/Δt。它由IGATE/CGATE = ICHARGE/CLOAD得出。电容C8至C10使通道1到通道3的输出达到约1V/ms摆幅。没有负载时，C13至C15以大约0.5A的电流充电，直到达到满幅输出。如果没有C8至C10，输出以两倍于上面计算电流触发值的电流对负载电容进行充电。电容C6和C7为10nF，使通道4和通道5的摆幅大约为1V/ms。

断路器门限

21mV至27.5mV的慢速比较器阈值以及R7 = R9 = 8.3mΩ设置了通道1 (+3.3V)和通道3 (+12V)的限流值。默认值乘以1.13以及R33 = R35 = 1.15kΩ，得到大约3.1A至3.8A的最终值。21mV至27.5mV的慢速比较器阈值以及R8 = 10mΩ设置通道2 (+5V)限流值。默认值乘以1.15以及R34 = 1.18kΩ，得到大约2.415A至3.625A的最终值。通过调整检测电阻R7到R9以及ISET电阻R33到R35来设置其他的限流值。可以从数据资料提供的曲线中确定默认乘数。限流断路器不对低电流通道4 (-12V)和通道5 (-5V)提供保护。

内部上拉把LATCH置为高电平，将MAX5927A配置为锁存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一个出现故障，所有通道将被关断，直到低电平有效CARD_PRESENT进入下一关断和接通周期。

负电压通道4和通道5

GATE4的栅极充电电流输出是60µA至100µA，但是在对称电路R4–Q7和R5-Q6中被分成30µA至50µA。GATE4的电压可以比VIN4(3.3V)高5.3V，或者接通时≤+8.6V，关断时接近0V。接通时，VQ6(BASE) = VQ7(BASE) = 3.3V，VQ6(EMITTER) = VQ7(EMITTER) ≈ 3.9V，关断时为0V。R4和R5上相等的压降使得Q6和Q7均分电流。R6和R7上相等的电流在Q4和Q5上产生相等的栅极驱动。关断状态下，GATE4 = 0V时的栅极驱动为0V。Q4和Q5的关断速度取决于流过R6至R7的栅极放电电流。

FET选择

所有通道，除了+12V通道，采用了SOT23封装的n通道MOSFET直通晶体管；每一FET原理图列出了VGS = 4.5V和TJ = +25°C时的最大RDS(ON)。VGS(max) = 20V (Si9410)的MOSFET被用于+12V通道。

总结

电路满足所有的负载和上电排序设计要求—处理3个正电压和2个负电压通道，具有合适的顺序接通时序、大于所需最小值的过电流触发点，以及大约1V/ms的输出摆率，达到了设计要求。

  • +5V和+12V通道的+3.3V延时 = 11.8ms (请参考图2)
  • +3.3V通道的-5V延时 = 16.2ms (请参考图3)
  • -5V负载关断时间 = 1ms (请参考图4和图5)
  • -12V负载关断时间 = 4ns (请参考图6和图7)
  • -12V输出电压摆率 ≈ 1V/ms (请参考图8)
  • -12V负载电容充电电流 ≈ 80mA (请参考图9)
  • -5V输出电压摆率 ≈ 1V/ms (请参考图10)
  • -5V负载电容充电电流 ≈ 55mA (请参考图11)
  • +3.3V输出电压摆率 ≈ 1V/ms (请参考图12)
  • +3.3V负载电容充电电流 ≈ 400mA (请参考图12)
  • 3A负载+3.3V接通，不触发断路器(请参考图13)
  • +3.3V断路器在3.22A时关断(请参考图14)
  • +5V负载电容充电电流 ≈ 500mA (请参考图15)
  • +5V输出电压摆率 ≈ 1V/ms (请参考图15)
  • 2.4A负载+5V接通，不触发断路器(请参考图16)
  • +5V断路器在2.87A时关断(请参考图17)
  • +12V负载电容充电电流 ≈ 500mA (请参考图18)
  • 3A负载+12V接通，不触发断路器(请参考图19)
  • +12V断路器在3.1A时关断(请参考图20)
  • +5V在 ≈ 4A时启动短路电路(请参考图21)
  • +12V在 ≈ 5.7A时启动短路电路(请参考图22)

测试结果

图2. +12V至+3.3V接通延时，没有负载

图2. +12V至+3.3V接通延时，没有负载

Ch1 = Q8BASE(CARD_PRESENT), Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注释：+12VOUT和+3.3VOUT之间有11.8ms延时。

图3. +3.3V至-5V接通延时，没有负载

图3. +3.3V至-5V接通延时，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT

注释：+3.3VOUT和-5VOUT之间有16.2ms延时。

图4. -5V栅极相对于+3.3VGATE关断，没有负载

图4. -5V栅极相对于+3.3VGATE关断，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = -5VGATE

注释：-5V栅极关断较慢；当1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)时，FET关断。由此，正电压通道关断1.5ms至4ms后，-5V栅极完全关断。

图5. -5V负载关断，50mA负载

图5. -5V负载关断，50mA负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注释：虽然由于输出电容放电导致VOUT(-5V)没有达到0V，-5V在1ms内下降至零。

图6. -12V栅极关断，没有负载

图6. -12V栅极关断，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +12VGATE, Ch4 = -12VGATE

注释：-12V栅极关断较慢；当1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)时，FET关断。由此，正电压通道关断1ms至4ms后，-12V栅极完全关断。

图7. -12V负载关断，150mA负载

图7. -12V负载关断，150mA负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注释：虽然由于输出电容放电导致VOUT(-12V)没有达到0V，-12V输入在4ms内降到零。

图8. -12V接通波形

图8. -12V接通波形

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注释：接通顺序，80Ω阻性负载 = 150mA。

图9. -12V接通波形，没有负载

图9. -12V接通波形，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)

注释：IIN(PK) = 80mA，对输出电容充电。

图10. -5V接通波形，100Ω阻性负载 = 50mA

图10. -5V接通波形，100Ω阻性负载 = 50mA

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注释：-5V摆率大约为1V/ms。

图11. -5V接通波形，没有负载

图11. -5V接通波形，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)

注释：IIN(PK) = 55mA，对输出电容充电。

图12. +3.3V接通波形，没有负载

图12. +3.3V接通波形，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)

注释：IIN(PK) = 400mA，对输出电容充电；+3.3V摆率大约为1V/ms。

图13. +3.3V接通波形，1.1Ω负载 = 3A

图13. +3.3V接通波形，1.1Ω负载 = 3A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)

图14. +3.3V过流关断

图14. +3.3V过流关断

Ch1 = STAT1, Ch2 = VGATE (+3.3V), Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div

注释：IOUT和VOUT减小是由于输出电容向恒阻负载放电。测得的触发电流为3.22A。*

图15. +5V接通负载电容充电电流，没有负载

图15. +5V接通负载电容充电电流，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)

注释：IIN(PK) = 500mA，对输出电容充电。

图16. +5V接通电流，2.083Ω负载 = 2.4A

图16. +5V接通电流，2.083Ω负载 = 2.4A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)

图17. +5V过流关断

图17. +5V过流关断

Ch1 = STAT2, Ch2 = VGATE (+5V), Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IOUT(+5V) 0.5A/div

注释：IOUT和VOUT减小是由于输出电容向恒阻负载放电。测得的触发电流为2.87A。

图18. +12V启动电流，没有负载

图18. +12V启动电流，没有负载

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)

注释：IIN(+12Vpk) = 500mA，对输出电容充电。

图19. +12V接通电流，4Ω负载 = 3A

图19. +12V接通电流，4Ω负载 = 3A

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)

图20. +12V过流关断

图20. +12V过流关断

Ch1 = STAT3, Ch2 = VGATE (+12V), Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div

注释：IOUT和VOUT减小是由于输出电容向恒阻负载放电。测得的触发电流为3.1A。

图21. 短路电路的+5V启动电流

图21. 短路电路的+5V启动电流

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VOUT, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = IIN(+5V)

注释：触发时的4A负载电流。

图22. 短路电路的+12V启动电流

图22. 短路电路的+12V启动电流

Ch1 = Q8BASE, Ch2 = VOUT, Ch3 = VGATE, Ch4 = IOUT

注释：触发时的5.7A负载电流。

测试PCB布板

图23. 参考设计PCB元件布局

图23. 参考设计PCB元件布局

图24. 顶层

图24. 顶层

图25. 底层

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