提供分步說(shuō)明，說(shuō)明使用MAX5900/MAX5901 -48V熱插拔控制器選擇合適的外部元件，為電信線卡設(shè)計(jì)熱插拔方案。該解決方案提供浪涌電流限制控制、對(duì)輸入電壓瞬變的抗擾度和短路保護(hù)。

熱插拔控制器提供的基本功能是限制浪涌電流、減少連接器上的大電流應(yīng)力以及消除卡插入熱背板時(shí)的系統(tǒng)電源毛刺，但不提供大輸入電壓瞬變保護(hù)。本應(yīng)用筆記介紹如何選擇熱插拔控制器的外設(shè)元件，以確保在面對(duì)36V輸入瞬變和輸出短路時(shí)正常工作和電路存活。

圖1顯示了典型的電信系統(tǒng)配電配置。前端提供EMI濾波、瞬態(tài)電壓抑制和與輸入電壓源的連接。然后，調(diào)節(jié)電源被路由到安裝線卡的背板插座。但是，電池更換行為可能導(dǎo)致-36V總線上高達(dá)48V的步進(jìn)。

圖1.典型的電信系統(tǒng)配電配置。

熱插拔控制器本身提供正常的功能，限制熱插拔時(shí)插件卡上大容量電容器的浪涌電流充電，防止卡安裝時(shí)系統(tǒng)背板毛刺，減少連接器上的大電流應(yīng)力。許多熱插拔控制器還包含斷路器功能，可在存在預(yù)設(shè)過(guò)載電流的情況下觸發(fā)。對(duì)于可能發(fā)生大階躍輸入電壓瞬變的電信應(yīng)用，當(dāng)大輸入瞬變對(duì)卡上大容量電容器充電時(shí)，斷路器功能可以斷開卡，因此斷路器功能無(wú)法安全使用。

圖2所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的電信熱插拔控制器電路，使用MAX5900NN提供正常的熱插拔保護(hù)，無(wú)需內(nèi)部斷路器;它滿足存在正負(fù)輸入電壓瞬變的系統(tǒng)要求，并在輸出短路期間保護(hù)背板。當(dāng)選擇MOSFET和卡上保險(xiǎn)絲特性以符合系統(tǒng)要求時(shí)，可以在大輸入電壓階躍期間存在大電流大容量電容器充電的情況下連續(xù)工作，以及背板短路保護(hù)。

圖2.用于電信系統(tǒng)的MAX5900NNEUT熱插拔應(yīng)用電路。

操作理論

卡插件

在正常的熱插拔操作期間，當(dāng)卡插入背板時(shí)，控制器將電源開關(guān) Q1 保持在 OFF 狀態(tài) 300ms，從而在向負(fù)載通電之前留出時(shí)間使卡牢固就位，連接器觸點(diǎn)反彈穩(wěn)定。在啟動(dòng)延遲之后，控制器逐漸打開Q1，通過(guò)控制輸出電壓上升速率（δV）來(lái)限制浪涌電流充電CL外/δt） 在漏極引腳處檢測(cè)到。同時(shí)，/PGOOD狀態(tài)輸出信號(hào)保持以下DC/DC轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，以防止在浪涌階段增加負(fù)載電流。因此，插入卡消耗的總浪涌電流只是為負(fù)載電容器充電的調(diào)理浪涌電流。δV外/δt 限制為 10V/ms，因此浪涌電流限制為

正（幅度）輸入階躍電壓

當(dāng)雷擊時(shí)，當(dāng)電量耗盡后恢復(fù)供電時(shí)，或者在電池交換期間，當(dāng)新電池插入在幾乎耗盡的電池上運(yùn)行的背板上時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)正輸入電壓階躍。啟動(dòng)階段完成后，不帶斷路器的熱插拔控制器不再控制由于輸入電壓瞬變而產(chǎn)生的浪涌電流。電池交換條件最有可能導(dǎo)致最大的大容量電容充電電流，因?yàn)槌Ｒ姷碾姵亟粨Q測(cè)試條件是36V步進(jìn)，突然增加V在從-36V到-72V。此時(shí)，Q1應(yīng)通過(guò)電容充電電流而不會(huì)受到損壞，但保險(xiǎn)絲不應(yīng)熔斷。這說(shuō)起來(lái)容易，但需要了解保險(xiǎn)絲跳閘時(shí)間與電流和MOSFET瞬態(tài)熱特性的關(guān)系，才能正確選擇元件。有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱選擇組件部分。由背板輸入濾波器和瞬態(tài)抑制器電路衰減的雷電干擾引起的短脈沖瞬變，預(yù)計(jì)在這方面不會(huì)像電池交換測(cè)試那樣嚴(yán)重。

負(fù)（幅度）輸入階躍電壓

只要滿足兩個(gè)電源電壓條件，MAX5900器件就可以在負(fù)瞬變的預(yù)感下正常工作。輸入電壓不得降至其 9V 最小工作范圍以下，輸入電壓不得降至編程的 UVLO 觸發(fā)點(diǎn)以下超過(guò) 20 毫秒。應(yīng)考慮兩種瞬變。一種是由于熱插拔控制不足的卡被熱插入背板;另一種是由閃電引起的瞬變引起的。

卡插入式負(fù)瞬態(tài)電壓僅為幾百毫伏或最多幾伏，因?yàn)楸嘲遄杩诡A(yù)計(jì)支持冷插拔連接，電壓驟降很小。只要滿足上面列出的兩個(gè)電源電壓條件，控制器操作就不會(huì)受到此類瞬變的影響。

雷電引起的瞬變本質(zhì)上可以是正的、負(fù)的或振蕩的，波形持續(xù)幾到幾十微秒，具體取決于背板輸入濾波器和瞬態(tài)抑制電路的有效性。相關(guān)的窄負(fù)瞬變可能會(huì)擴(kuò)展到控制器的最小 9V 工作范圍以下，從而導(dǎo)致瞬時(shí)壓差。如果出現(xiàn)這種情況，則對(duì)圖2虛線內(nèi)的電路進(jìn)行修改就足以使短脈沖（100毫秒）壓差降至零伏。Q1和保險(xiǎn)絲在存在大負(fù)脈沖時(shí)的存活條件與大正脈沖的存活條件相似。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱選擇組件部分

第二個(gè)考慮因素是，負(fù)輸入電壓瞬態(tài)導(dǎo)致負(fù)載電容通過(guò)Q1的R放電至背板DS（ON）。反向充電電流在Q1兩端產(chǎn)生壓降，可能使VEE端電壓比漏極高0.3V以上，從而正向偏置連接在源極和漏極之間的內(nèi)部ESD二極管。如果電路走線電阻，負(fù)載電容ESR1，以及電容器和電路 ESL2可以忽略不計(jì)，當(dāng)瞬態(tài)試圖對(duì)大容量電容放電時(shí)，陡峭瞬變的幾乎整個(gè)負(fù)峰值電壓都會(huì)出現(xiàn)在Q1上。即使寄生電路電阻和電感不可忽略，也幾乎不需要額外的負(fù)電壓階躍幅度來(lái)正向偏置ESD二極管。在電路中放置R3可限制進(jìn)入漏極引腳的電流，以在此瞬變期間保護(hù)MAX5900。R1的推薦值為1kΩ至10kΩ。

輸出短路

當(dāng)輸出短路時(shí)，在Q1漏極和拉極之間施加全輸入電壓，電流受Q1的I限制D（開）。正如我D（開）至少為幾十安培，Q1的高功率耗散在短路條件下失效之前只能短暫維持。同時(shí)，快熔保險(xiǎn)絲 F1 有時(shí)間加熱并在 Q1 短路時(shí)立即熔斷。F1 永久斷開故障插件卡與系統(tǒng)的連接，防止災(zāi)難性的系統(tǒng)故障。當(dāng)已經(jīng)短路（有缺陷）的卡熱插拔到背板上時(shí)，短路電流的限制方式與提供系統(tǒng)保護(hù)的保險(xiǎn)絲相同。由于短路的卡可能被認(rèn)為是消耗性的，因此Q1故障并不重要。如果 Q1 故障不可接受，則必須選擇 Q1 以允許在保險(xiǎn)絲熔斷期間存活。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱選擇組件部分。

選擇組件

在正或負(fù)階梯瞬態(tài)測(cè)試期間，保險(xiǎn)絲和 Q1 都應(yīng)安然無(wú)恙，但保險(xiǎn)絲（可能還有 Q1）在短路條件下應(yīng)迅速熔斷。最初，MOSFET 和保險(xiǎn)絲的選擇是為了允許在正常工作負(fù)載條件下穩(wěn)定和不間斷地工作。然后必須考慮36V正電壓階躍測(cè)試條件或大負(fù)脈沖步進(jìn)，最后考慮短路條件。使用圖2所示的2.5A滿載操作示例可以演示選擇過(guò)程。

為連續(xù) 2.5A 工作選擇具有一定安全系數(shù)的保險(xiǎn)絲，但要考慮正階躍瞬變的額外安全系數(shù)。至少要使用 3A 保險(xiǎn)絲。暫定選擇4A保險(xiǎn)絲。

選擇 Q1 可使?jié)M載壓降 VDS（ON）和/或可接受的可持續(xù)功率損耗PD。 Q1漏源電阻兩端出現(xiàn)壓降，連接器和電路走線電阻上出現(xiàn)壓降。假設(shè)電路走線的大小適合最小壓降，并考慮Q1的ID（開）， rDS（ON）和 PD.我D（開）必須肯定大于滿載電流 I佛羅里達(dá)州，但是在以下情況下，該要求將很容易得到滿足DS（ON）被選中。在本例中，PD= 1W被選為合理。然后是仙童半導(dǎo)體IRF530 160mΩ MOSFET，帶

ID（開）≈ 50A符合選擇標(biāo)準(zhǔn)。為了降低功率損耗，請(qǐng)選擇 r 較低的 MOSFETDS（ON）如國(guó)際整流IRF530 90mΩ MOSFET。兩個(gè)展品一D（開）≈ 50A.

計(jì)算36V階躍瞬態(tài)條件下的電容充電電流。最初，階躍瞬態(tài)表示串聯(lián)和 ［RDS（ON）+ 保險(xiǎn)絲電阻 + CL的ESR］加上瞬態(tài)源阻抗中存在的任何內(nèi)容，以及走線、電容器和濾波器的ESL。特別是ESL可以減緩急劇上升的波形。當(dāng)我們只考慮已知的 R 時(shí)，存在最壞情況DS（ON）（100mΩ–300mΩ，取決于結(jié)溫），R保險(xiǎn)絲（制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型值為 35mΩ）和電容 ESR（對(duì)于 40μF 低 ESR 變體，≈ 100mΩ）。

但充電電流最初受Q1的I的限制D（開）≈50mA，直到MOSFET從飽和狀態(tài)中恢復(fù)并進(jìn)入電阻區(qū)域，此時(shí)電流呈指數(shù)衰減至零。

確定電流脈沖寬度、MOSFET 兩端的電壓以及 MOSFET 中的峰值瞬態(tài)功率。施加的 36V 瞬態(tài)電壓將分布在 R 上DS（ON）， R保險(xiǎn)絲和電容 ESR。

仿真在這里很有幫助（見圖3），盡管對(duì)于我們的目的來(lái)說(shuō)，假設(shè)三角功率脈沖的寬度為計(jì)算值是可以接受的。檢查圖3將表明，我們的簡(jiǎn)單計(jì)算與模擬條件非常接近。目標(biāo)功率和脈沖寬度為《》/《》PD（PK）對(duì)于 ΔT。

圖3.正線路瞬態(tài)波形。

確定瞬態(tài)期間的 MOSFET 溫升。我們希望MOSFET能夠承受這種功率脈沖而不會(huì)過(guò)熱。因此，現(xiàn)在是時(shí)候檢查仙童IRF530數(shù)據(jù)手冊(cè)中的瞬態(tài)熱阻曲線了，如圖4所示。在 75μsec 處輸入曲線（約7.5 x 10-5）在水平軸上，垂直上升以截取實(shí)心（單脈沖）線，我們讀取垂直軸上的瞬態(tài)熱阻為Θ杰克= 0.05°C/W.我們計(jì)算結(jié)點(diǎn)這很容易在限制范圍內(nèi)，因?yàn)榻Y(jié)

溫允許達(dá)到175°C。 MOSFET肯定會(huì)承受這種功率脈沖。

圖4.瞬態(tài)熱阻，仙童IRF530（圖片由仙童半導(dǎo)體提供）。

選擇一種保險(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲可以承受此《 100 微秒瞬態(tài)而不會(huì)熔斷。為此，所選保險(xiǎn)絲需要一條時(shí)間與電流的關(guān)系曲線。該曲線可以從保險(xiǎn)絲制造商處獲得，并在圖5中再現(xiàn)。左邊的曲線邊界表示曲線左邊的任何值都不會(huì)熔斷保險(xiǎn)絲。右曲線邊界表示曲線右側(cè)的任何值都必須熔斷保險(xiǎn)絲。曲線在水平軸附近和下方變成直線，因此可以外推到100μsec，以找到安培數(shù)下最小和最大時(shí)間限制的電流乘法器。將曲線外推到 100μs 表示保險(xiǎn)絲在 22 倍額定電流 （88A） 下不會(huì)在 100μs 時(shí)熔斷。我們還看到，保險(xiǎn)絲熔斷至少需要 7 倍的額定電流 （28A） 在 1 毫秒內(nèi)，而 10 毫秒內(nèi)保證在 40 倍額定電流 （10A） 下熔斷。將曲線外推到 100μs 表示保險(xiǎn)絲將在 12 毫秒內(nèi)以 48 倍額定電流 （8A） 熔斷，或在 40 毫秒內(nèi)以 160X （1A） 熔斷。所選的 4A 保險(xiǎn)絲是一個(gè)合適的選擇，因?yàn)樗试S在 36V 瞬變下安全工作，但在 I 時(shí)會(huì)熔斷《 8 毫秒D（開）-有限的50A短路條件，或者如果Q1在短路期間短路，則會(huì)在1msec≤熔斷，因此我們可以選擇4A（88A / 100μsec時(shí)無(wú)熔斷）保險(xiǎn)絲，盡管我們尚未驗(yàn)證短路條件下的性能。

確定短路條件下的電流和 MOSFET 功耗。如果熱插拔電路的輸出端在C處發(fā)生短路L，Q1電流由ID（開）≈像以前一樣50A。短路使整個(gè)電源電壓與保險(xiǎn)絲電阻串聯(lián)在 MOSFET 兩端。忽略保險(xiǎn)絲電阻可提供最壞情況的計(jì)算PD（南卡羅來(lái)納州）= 48V × 50A = 2400W。我們已經(jīng)從步驟 6 中知道保險(xiǎn)絲必須在 48 毫秒內(nèi)以 8A 的速度熔斷。因此，我們很想知道Q1是否能在2400W中存活8毫秒。在4ms處進(jìn)入圖8的曲線，我們發(fā)現(xiàn)單脈沖熱阻為0.59°C/W。新的計(jì)算表明，結(jié)溫上升為0.59°C/W×2400W = 1440°C。 即使保險(xiǎn)絲在2毫秒（最小曲線和最大曲線之間的中間）熔斷，結(jié)溫也會(huì)上升851°C。 這遠(yuǎn)高于鋁芯片金屬化的熔點(diǎn)，MOSFET將在2毫秒內(nèi)被破壞。Q1 短路失效，保險(xiǎn)絲熔斷。

圖5.熔斷電流特性（由 Wickmann 提供）。

總結(jié)

所選電路非常簡(jiǎn)單，允許在正常工作和測(cè)試條件下可靠運(yùn)行，但保險(xiǎn)絲保護(hù)將在兩毫秒或更短的時(shí)間內(nèi)中斷短路電路板。在諸如此類的簡(jiǎn)單熱插拔電路中明智地選擇保險(xiǎn)絲和調(diào)整管的重要性得到了證明。