如何选择合适元件用于高速数字通信系统的热插拔电路设计

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  目前有很多工程师在开发高速数字电路板,其中设计热插拔电路以提高电路板功效是一件非常有挑战性的工作。本文将介绍热插拔设计基础,并着重说明不同类型热插拔控制器的利弊,然后详细讲述热插拔三个关键部件的选择过程,即模拟控制器、功率MOSFET和功率感应电阻器,可供中国的设计工程师们参考。

  虽然现在已有很多关注于热插拔控制器设计的文献,但是热插拔设计的功能性、可靠性及难易程度还取决于在稳定状态与短路条件下控制器和MOSFET的正确选择。下面我们将对一个电路板设计实例进行逐步分析,并说明应用某些控制器时的设计复杂性。

  基本热插拔电路

  图1显示了一个基本热插拔电路,它包括一个热插拔控制器(U1)、一个N沟道功率MOSFET(Q1)和一个功率感应电阻器(Rsense)。

  有两种类型热插拔控制器,分别是电压控制型和电流控制型。电压控制型对Q1的栅极慢慢充电,漏电压跟随栅极电压变化。这种类型的问题是涌入电流不能直接控制,而取决于输入电源的输出阻抗和热插拔负载的阻抗,可在MOSFET周围加几个分立元件限制涌入电流,因此还必须添加其它一些元件以便在出现故障时实现快速关闭。建议新设计不要采用这种结构,除非是在较低的功率水平上进行热插拔。

  电流控制热插拔控制器至少含有一个线性电流放大器(LCA)。电流放大器可以感应Rsense两端的电压,并通过回拉Q1的Vgs以保持Rsense上的电压,从而限制峰值涌入电流。由于涌入电流是可以选择的,所以DC/DC转换器输入电压的上升时间将主要由输入阻抗决定。开机时涌入电流过冲击主要取决于负载阻抗、所选择的MOSFET、热插拔控制器驱动器和热插拔LCA的速度。

  选择热插拔控制器

  应选择集成的热插拔还是分立的MOSFET/控制器解决方案呢?让我们首先考虑一下采用集成MOSFET的模拟IC方法,可能要考虑的第一件事是集成系统IC与单独的控制器和功率MOSFET的比较。对于-48V电信应用,现今市场上至少已有一种集成解决方案,就是来自Supertex的HV111。该器件在模拟过程中集成了一个内置的旁路MOSFET开关,通常而言模拟过程比功率MOSFET具有更高的Rds(on)与面积的乘积,这意味着对于相同的Rds(on)模拟开关将占用更多的空间,或者说在相同的面积内,模拟开关将有更高的Rds(on),这对80V或100V开关尤其如此。HV111有一个额定80V的开关,典型Rds(on)为1Ω,最大Rds(on)为1.5Ω。

  如果负载电流为1A,则开关最大电压降为1.5V,可能导致低压锁定,因此制造商将器件的额定值设为1.65A。由于负载为72W,峰值电流可能为2.8A,所以可将器件搜寻范围收窄到外部电流控制器热插拔或分开的功率MOSFET与Rsense。

  那么应使用什么样的电流控制器?由于主要关心的是系统可靠性,所以要寻找对过电流或短路响应最快的控制器,制造商把这个作为从Vsense高电平至拉回到阈值附近的MOSFET的栅极电压或低tpHLsense的传播延时。制造商还可能标出控制回路跨导dIgate/dVsense,它表示栅极电压变化与Vsense电压变化之比。另外还要看一下栅极驱动功能,以确定其可以产生或消除MOSFET寄生电容。

  下面我们比较一下故障响应速度和栅极驱动特性。具有较高下拉电流的快速器件在故障条件下功率消耗较低,很多控制器只解决经过控制器的时间延迟,通过MOSFET的开关时间则交由设计人员计算。

  由于制造商标明的控制回路速度各有不同,所以最好在工作台上用相同测试条件对几个样本进行比较。同样,传播延时从检测出故障开始,直到栅极电压被下拉到模拟电流设定点为止。

  使用浮动控制器时,需要添加额外的电阻器,称为Rshunt。如像UCCx921、ADM1070和LTC4151均为“浮动”控制器,就意味着器件里都含有一个电压调节器,该调节器在地和-48V线路之间与一个分流电阻器串联。UCCx921有一个最小9V的调节电压,因此其Rshunt消耗的功率为:

  PRshunt=(Vinmax-Vregmin)2/Rshunt

  建议以最小Vin向调节器提供至少2.5mA偏流,因此

  Rshunt=(Vinmin-Vrefmax)/2.5mA=35V/2.5mA=14KΩ。

  使用10KΩ时,

  PRshunt=(75V-9V)2/10KΩ=0.44W

  所以应使用至少1W的电阻器。

  此外,控制器可以让整个线电压通过其自身。例如ISL6141可以通过线电压,其额定值为100V。为了承受可能时长为1μs的200V瞬时电压,必须添加一个瞬时电压抑制器以保护控制器。添加瞬时电压抑制器并不总是一件简单的任务,因为系统工程师经常不知道系统的最大瞬时电压大小。

  选择Rsense

  为了选择Rsense的值,需要知道热插拔电路所需的峰值电流。例如你正在建立什么样的电源?它必须提供多大的峰值功率?制造商建议使用什么输入电容器或过滤器?

  电路板将插入-48V背板中,所以要一个1.2V输出和60A峰值负载或72W转换器。和大多数电源制造商一样,建议在电源的Vin(+)引脚和Vin(-)引脚之间加一个220μF电容器,输入线电压可以在-75V至-35V之间,制造商指定在60A负载时最大输入电流为2.8A。另外你也可以自己计算该电流,最大输入电流出现于负载功率最大且输入电压最小时,即

  IInput max=Pout max/(Vin min×η)

  =72W/(36V×0.72)=2.8A

  其中η是该线路和负载条件下的最差效率。

  选择MOSFET

  根据要满足的技术规范,ETSI ETS300 132-2(100V瞬时电压持续100ms)或Bell Core Gr-513-CORE电信规范均可保证抵抗持续10ms -75V、持续10μs -100V和持续1μs -200V电涌。如果系统规范是承受100ms 100V电压,则需选择一个100V MOSFET,我们希望热插拔MOSFET上的电压降最小,同时使功率损失也最小。非故障条件下MOSFET的最大功率损失为:

  P=Imax2×Rds(on)

  如果考虑使用D2Pak封装的NTB52N10,其额定值为100V BVDSS,则在Vgs=10V时最大Rds(on)为30mΩ。最大Pwr(on)损失

  P=Ipk2×Rds(on)max=2.82×0.03=0.24W

  短路时的安全性

  负载短路时,全部Vin都加在MOSFET上。这是最糟糕的情况,电流只受MOSFET Rds(on)和熔断丝电阻的限制。从控制器的技术规范出发,假定你正使用一个具有3μs传播延时的控制器,用于响应故障并下拉MOSFET基准以维持模拟电流限制,则最坏情况下的电流为:

  Ifaultworstcase=Vinmax/(Rds(on)+Rfuse)=75V/(0.030+0.035)=1,154A

  当然,随着MOSFET温度上升,其Rds(on)也将上升,最后从MOSFET曲线的线性区移到饱和区,MOSFET将自行限制到180A左右,短路时的功率为:

  Pwrshortcircuit=Vinmax×Imax=75V×180A=13,500W

  现在市场上有很多热插拔控制器出售,请密切注意所选择的电流驱动控制器的速度和驱动能力。Rsense电路断路器限制电压设为可接受的电大输入电流,同时必须检查短路情况下MOSFET的最差结温,它必须低于最大额定操作结温以确保设计安全可靠。