LTC4242：PCI Express熱插拔控制器的卓越之選

在PCI Express系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，熱插拔功能至關(guān)重要，它能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線插入和移除，提高系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。LTC4242作為一款專為PCI Express設(shè)計(jì)的雙插槽熱插拔控制器，具備諸多出色特性，下面我們就來詳細(xì)了解一下。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 熱插拔支持

LTC4242允許在PCI Express背板上進(jìn)行實(shí)時(shí)插入操作，能同時(shí)控制兩個(gè)獨(dú)立的PCI Express插槽，還可對主電源和輔助電源進(jìn)行獨(dú)立控制，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

2. 電氣性能優(yōu)越

• 其12V電源輸入引腳額定電壓為20V，能適應(yīng)較高的電壓環(huán)境。
• 集成了0.25Ω的輔助開關(guān)，有助于優(yōu)化電路性能。
• 可在≤1μs內(nèi)限制故障電流，快速響應(yīng)故障情況，保護(hù)系統(tǒng)安全。

3. 功能豐富

• 具備強(qiáng)制開啟測試模式，方便進(jìn)行系統(tǒng)診斷。
• 可調(diào)節(jié)電源電壓的上電速率，滿足不同應(yīng)用場景的需求。
• 采用高端驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET，提供高效的功率控制。
• 擁有熱關(guān)斷保護(hù)功能，防止設(shè)備因過熱損壞。

4. 封裝多樣

提供38引腳QFN和36引腳SSOP兩種封裝形式，方便不同的PCB布局和設(shè)計(jì)需求。

二、工作原理剖析

1. 整體功能架構(gòu)

從功能框圖來看，LTC4242主要由電荷泵、振蕩器、欠壓鎖定（UVLO）電路、系統(tǒng)控制模塊、電源控制模塊等組成。電荷泵為外部N溝道MOSFET的柵極提供9μA的上拉電流，使其導(dǎo)通并為負(fù)載供電。同時(shí)，柵極電壓被鉗位在高于源極約5.5V的水平，以確保MOSFET的正常工作。

2. 電流保護(hù)機(jī)制

電子斷路器（ECB）比較器和模擬電流限制（ACL）放大器通過監(jiān)測VIN和SENSE引腳之間的電壓差來監(jiān)控負(fù)載電流。ACL的閾值設(shè)定為ECB閾值的2倍，當(dāng)出現(xiàn)過流情況且持續(xù)時(shí)間超過20μs時(shí)，MOSFET會(huì)被關(guān)閉，以防止過熱。同時(shí)，F(xiàn)AULT引腳會(huì)被拉低，指示主通道出現(xiàn)過流故障。

3. 輔助電源控制

輔助電源（AUX）的控制電路也有斷路器，在20μs后電流達(dá)到550mA時(shí)會(huì)觸發(fā)跳閘。此外，還集成了有源電流限制放大器，可將AUX FET中的電流限制在約1.65A。當(dāng)芯片溫度超過150°C時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)關(guān)閉AUX FET，AUXFAULT引腳拉低，指示內(nèi)部FET出現(xiàn)過流或熱關(guān)斷情況。

4. 輸出監(jiān)測與狀態(tài)指示

通過OUT引腳和PG比較器監(jiān)測輸出電壓，判斷電壓是否有效。當(dāng)輸出電壓正常時(shí)，PGOOD/AUXPGOOD引腳通過開漏下拉晶體管發(fā)出電源良好信號(hào)。

三、應(yīng)用信息解讀

1. 典型應(yīng)用場景

LTC4242典型應(yīng)用于控制兩個(gè)PCI Express插槽電源的背板或主板中，能將故障和電源狀態(tài)信息報(bào)告給系統(tǒng)熱插拔控制器（HPC）。

2. 具體應(yīng)用細(xì)節(jié)

• 板卡存在檢測：在PCI Express系統(tǒng)中，系統(tǒng)板連接器通過PRSNT1和PRSNT2信號(hào)檢測板卡的存在。板卡插入后，HPC會(huì)在經(jīng)過編程的去抖延遲后向LTC4242發(fā)送開啟命令。也可通過RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)去抖延遲。
• 上電順序：要開啟外部和內(nèi)部開關(guān)，需滿足設(shè)備電源VCC超過欠壓鎖定閾值，EN引腳被拉低等條件。ON引腳控制開關(guān)的開啟，當(dāng)ON引腳為高電平時(shí)，開關(guān)開啟。外部開關(guān)通過9μA電流源對柵極充電開啟，內(nèi)部開關(guān)的柵極以約1.25V/ms的速率上升，控制浪涌電流。輸入電源通過欠壓鎖定后，斷路器啟動(dòng)，輸出電壓正常時(shí)，PGOOD和AUXPGOOD引腳被拉低。
• 下電順序：多種情況可使開關(guān)關(guān)閉，如ON/AUXON引腳變?yōu)榈碗娖?、EN引腳變?yōu)楦唠娖健⒊霈F(xiàn)故障情況（如電源欠壓、過流斷路器故障）以及熱關(guān)斷激活等。開關(guān)關(guān)閉時(shí)，輸出通過內(nèi)部N溝道晶體管放電到地，PGOOD/AUXPGOOD引腳拉高。
• 故障處理
  • 熱關(guān)斷：3.3V輔助電源的兩個(gè)內(nèi)部開關(guān)分別由獨(dú)立的熱關(guān)斷電路保護(hù)，溫度達(dá)到150°C時(shí)開關(guān)立即關(guān)閉，AUXFAULT引腳拉低。溫度降至120°C以下，通過循環(huán)AUXON引腳可重新開啟開關(guān)。
  • 過流故障：LTC4242對所有電源提供雙級抗干擾過流保護(hù)。當(dāng)電源電流超過ECB閾值時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器，20μs后仍過流則ECB跳閘，MOSFET立即關(guān)閉。啟動(dòng)時(shí)若輸出短路，浪涌電流會(huì)被限制在ACL閾值（ECB閾值的2倍），20μs后器件鎖存關(guān)閉。
  • 欠壓故障：當(dāng)任何輸入電源（12VIN、3VIN或AUXIN）低于欠壓閾值超過18μs時(shí)，開關(guān)立即關(guān)閉。3.3V輔助電源欠壓不會(huì)導(dǎo)致主電源關(guān)閉，反之亦然。主電源欠壓會(huì)關(guān)閉兩個(gè)主電源開關(guān)，VCC低于UVLO閾值超過38μs時(shí)，所有開關(guān)關(guān)閉。電源電壓和VCC高于各自欠壓閾值時(shí)，開關(guān)可重新開啟。
  • 電源良好故障：任何電源輸出低于電源良好閾值超過20μs時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電源良好故障，PGOOD/AUXPGOOD引腳被拉高。要使PGOOD/AUXPGOOD引腳拉低，需滿足輸出電壓高于電源良好閾值、EN引腳為低電平、輸入電壓高于欠壓閾值、ON引腳為高電平以及熱關(guān)斷未激活等條件。
  • 故障復(fù)位：要復(fù)位主輸出的過流故障，可將ON引腳拉低或?qū)⒐收想娫唇抵燎穳烘i定閾值以下；復(fù)位輔助輸出的過流或熱關(guān)斷故障，可將AUXON引腳拉低或?qū)⑤o助電源降至UVLO閾值以下；將VCC降至UVLO閾值以下可復(fù)位所有過流和熱關(guān)斷故障。當(dāng)故障Override（FON）為高電平時(shí)，器件無法復(fù)位。
  • 故障后自動(dòng)重試：通過將FAULT和ON引腳用RC網(wǎng)絡(luò)連接，LTC4242可配置為故障后自動(dòng)重試。自動(dòng)重試電路會(huì)在斷路器跳閘后嘗試重啟LTC4242。

3. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• GATE引腳電壓：最小柵極驅(qū)動(dòng)電壓為4.5V，外部開關(guān)應(yīng)使用邏輯電平N溝道MOSFET，以確保足夠的柵極增強(qiáng)。GATE引腳通常被鉗位在比相應(yīng)OUT引腳高約5.5V的水平。
• 有源電流環(huán)路補(bǔ)償：有源電流限制電路通過電阻RG和斜率控制電容CG進(jìn)行補(bǔ)償。CG的值根據(jù)允許的浪涌電流選擇，RG的值需通過實(shí)驗(yàn)確定，建議范圍為10Ω至100Ω。
• VCC電源：LTC4242的電源由VCC提供，該引腳與地之間應(yīng)連接1μF的旁路電容。若VCC由3VIN或AUXIN輸入電源獲取，應(yīng)使用低通濾波器，以防止VCC電壓在3VIN/AUXIN短路瞬變時(shí)低于UVLO閾值。
• 強(qiáng)制開啟操作
  • 當(dāng)FON引腳拉高且EN引腳拉低時(shí)，LTC4242進(jìn)入診斷模式，所有輸入電源的功率開關(guān)強(qiáng)制開啟，不受輸入電源欠壓、ON引腳狀態(tài)和故障鎖存的影響。但VCC欠壓鎖定會(huì)關(guān)閉所有開關(guān)，熱關(guān)斷時(shí)內(nèi)部開關(guān)會(huì)關(guān)閉。此模式下無電流限制機(jī)制，需確保輸出不短路。
  • 另一種模式是帶電流限制的強(qiáng)制開啟模式，將FON和EN引腳都拉高即可進(jìn)入。此模式下ACLs啟用，20μs濾波器時(shí)間禁用，AUX電源的故障鎖存可在超過ICBAUX時(shí)觸發(fā)。要進(jìn)入正常操作，需將FON和EN引腳拉低，并循環(huán)ON和AUXON引腳。
• PCB布局
  • 為使LTC4242的斷路器正常工作，需對檢測電阻采用開爾文連接。開爾文檢測PCB布局走線應(yīng)盡量短，緊密排列，平衡對稱，以減少布線誤差。
  • 檢測電阻和功率MOSFET的PCB布局應(yīng)采用良好的熱管理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的器件功率耗散。在大電流應(yīng)用中，為降低PCB走線電阻、電壓降和溫度上升，建議1oz銅箔的走線寬度為每安培直流電流0.03英寸。
  • 系統(tǒng)板應(yīng)用中，建議在每個(gè)系統(tǒng)輸入電源處使用大的旁路電容（≥10μF），以減少大的浪涌或故障電流導(dǎo)致的電源干擾。VCC引腳的旁路電容C1應(yīng)盡可能靠近VCC和GND引腳。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例分析

1. 檢測電阻選擇

2. 柵極電容計(jì)算

假設(shè)啟動(dòng)時(shí)無負(fù)載電流，浪涌電流對負(fù)載電容充電。根據(jù)公式(C{GATE}=frac{I{GATE(UP) cdot t{1}}}{V{OUT }})計(jì)算柵極電容，其中(t{1})為負(fù)載電容充電時(shí)間。取(I{GATE(UP)(MAX)} = 13 mu A)，(t{1} = 10 ms)，可得12V電源的(C{GATE}=11 nF)，3.3V電源的(C_{GATE}=39 nF)。因此，12V和3.3V電源分別選擇15nF和47nF（±10%）的電容即可。

3. MOSFET選擇

對于12V和3.3V主輸入電源，Si7336ADP是不錯(cuò)的選擇，其在(V{GS}=4.5 V)、25°C時(shí)導(dǎo)通電阻小于4mΩ。以3.3V電源為例，最大負(fù)載為3A時(shí)，MOSFET最大功耗為36mW，結(jié)溫約為51.8°C，導(dǎo)通電阻約增加12%，重新計(jì)算穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電阻和結(jié)溫分別約為4.5mΩ和52°C，3A電流和50°C PCB溫度下，3.3V檢測電阻和串聯(lián)MOSFET的電壓降小于53mV。MOSFET在輸出負(fù)載電容充電時(shí)會(huì)消耗功率，根據(jù)公式(P{ON}=frac{C{L} cdot V{OUT }^{2}}{2 cdot t{1}})計(jì)算平均功耗，通過PON和(t{1})查找MOSFET的單脈沖(theta_{JA(MAX) })，可知12V MOSFET的最壞情況結(jié)到環(huán)境溫度上升最大。在大電流（2倍斷路器閾值）情況下，20μs的濾波器時(shí)間足以使MOSFET的結(jié)到環(huán)境溫度增加最小，可認(rèn)為MOSFET在這些情況下熱應(yīng)力最小。若LTC4242工作在診斷模式，需確保外部MOSFET的焦耳熱安全限制，溫度達(dá)到150°C時(shí)內(nèi)部開關(guān)會(huì)關(guān)閉，防止過熱。

五、相關(guān)產(chǎn)品對比

綜上所述，LTC4242憑借其豐富的功能、出色的性能和靈活的應(yīng)用方式，為PCI Express系統(tǒng)的熱插拔設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求，合理選擇和使用LTC4242，并注意相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用LTC4242過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。