低電壓三重熱插拔控制器/電源排序器/電壓跟蹤器：MAX5930/MAX5931的應用與設計

在電子設備的設計中，熱插拔功能對于提高系統(tǒng)的可維護性和可靠性至關重要。今天我們將深入探討MAXIM公司的低電壓三重熱插拔控制器/電源排序器/電壓跟蹤器——MAX5930/MAX5931，看看它如何為多電源系統(tǒng)提供全面的保護。

文件下載：MAX5930.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX5930/MAX5931是適用于+1V至+13.2V電源的三重熱插拔控制器，能為多電源系統(tǒng)提供完備保護，允許電路板安全地插入和拔出帶電背板。只要有一個電源電壓達到或高于+2.7V，且僅有一個電源電壓高于11V，該設備就能對+1V至+13.2V的多個電源進行熱插拔操作。輸入電壓軌（通道）可配置為順序開關、相互跟蹤或完全獨立運行。

二、產(chǎn)品特性亮點

2.1 安全熱插拔

支持+1V至+13.2V電源的安全熱插拔，前提是(V{IN}geq2.7V)且僅一個(V{IN}>11.0V)，有效避免了因插拔電路板時產(chǎn)生的高浪涌電流對連接器和組件造成損壞，或?qū)е卤嘲咫娫此查g崩潰。

2.2 可調(diào)節(jié)參數(shù)

• 斷路器/電流限制閾值：可在25mV至100mV之間調(diào)節(jié)，設計者能根據(jù)實際應用需求靈活設置電流限制，提高系統(tǒng)的適應性。
• 啟動定時器：通過連接從TIM到GND的電阻（RTIM），可將啟動周期從0.4ms調(diào)整到50ms，默認值為9ms，方便根據(jù)MOSFET柵極電容和電路板電容進行定制。

  2.3 多種工作模式

  提供可配置的跟蹤、排序或獨立操作模式，滿足不同系統(tǒng)的電源管理需求。

  2.4 故障保護機制

  采用VariableSpeed/BiLevel電路斷路器響應，內(nèi)部電荷泵生成N溝道MOSFET柵極驅(qū)動，在啟動時調(diào)節(jié)浪涌電流，具備自動重試或鎖存故障管理功能，確保系統(tǒng)在故障發(fā)生時能做出及時有效的響應。

  2.5 狀態(tài)輸出指示

  狀態(tài)輸出（STAT_）能指示故障/安全狀態(tài)，方便工程師實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況。

三、工作模式詳解

3.1 電壓跟蹤模式

將MODE引腳連接到高電平可進入此模式。在此模式下，所有通道會一起開啟和關閉。要開啟所有通道，需滿足至少一個(V{IN})超過(V{UVLO})（2.45V）達(t{D,UVLO})（37.5ms）、所有(V{IN})超過(V{PWRRDY})（0.95V）、所有(V{ON})超過(V_{ON,TH})（0.875V）且無故障等條件。若不滿足這些條件，所有通道將關閉。故障鎖存關閉后，循環(huán)任何(ON)引腳可解鎖并重啟所有通道。

3.2 電源排序模式

將MODE引腳浮空可進入此模式。該模式下，MAX5930/MAX5931會根據(jù)相應(V{ON})的狀態(tài)開啟和關閉每個通道。開啟給定通道的條件與電壓跟蹤模式類似。若不滿足條件，所有通道將關閉。故障鎖存關閉后，循環(huán)任何(ON)引腳可解鎖并重啟所有通道，具體取決于相應(V{ON})的狀態(tài)。

3.3 獨立模式

將MODE引腳連接到GND可進入獨立模式。在此模式下，MAX5930/MAX5931為每個通道提供完全獨立的控制。開啟給定通道需滿足至少一個(V{IN})超過(V{UVLO})（2.45V）達(t{D,UVLO})、相應(V{IN})超過(V{PWRRDY})（0.95V）、相應(V{ON})超過(V_{ON,TH})（0.875V）等條件。若不滿足條件，相應通道將關閉。故障發(fā)生時，僅受影響的通道會被禁用。故障鎖存關閉后，循環(huán)相應(ON)輸入可解鎖并重啟相應通道。

四、啟動周期與電流限制

4.1 啟動周期

啟動周期（(t{START})）可通過(R{TIM})在0.4ms至51ms之間調(diào)整，默認值為9ms（TIM浮空時）。啟動周期從滿足開啟條件開始，且設備未鎖存或處于自動重試延遲期間。

4.2 電流限制

在啟動期間，若發(fā)生過流故障，MAX5930/MAX5931會限制負載電流，而非完全關閉外部MOSFET。啟動期間，慢比較器禁用，負載電流可通過兩種方式限制：一是通過限制MOSFET柵極充電電流緩慢增強MOSFET；二是限制外部電流檢測電阻兩端的電壓。啟動期間，柵極驅(qū)動電流限制為100μA，并隨柵極電壓升高而減小。若快速比較器檢測到過流，MAX5930/MAX5931會調(diào)節(jié)柵極電壓，確保檢測電阻兩端的電壓不超過(V_{SU,TH})，從而有效調(diào)節(jié)啟動時的浪涌電流。

五、故障保護機制

5.1 VariableSpeed/BiLevel故障保護

該保護機制采用具有不同閾值和響應時間的比較器來監(jiān)測負載電流。啟動期間，通過限制負載電流提供保護；正常運行時（啟動周期結(jié)束后），響應故障條件時，通過強大的3mA/50mA下拉電流放電MOSFET柵極提供保護。故障發(fā)生后，STAT_輸出會被置為無效?？墒褂肔ATCH輸入控制STAT_輸出是鎖存關閉還是自動重試。

5.2 慢比較器

啟動期間禁用，允許設備忽略插入電路板時高于正常的浪涌電流。啟動周期結(jié)束后，慢比較器啟用，進入正常運行。比較器閾值電壓（(V_{SC,TH})）可在25mV至100mV之間調(diào)節(jié)，響應時間隨過驅(qū)動電壓變化，可忽略低幅度的瞬間干擾，提高系統(tǒng)抗噪能力。長時間過流后，會產(chǎn)生故障，STAT_輸出無效，MOSFET柵極通過3mA下拉電流放電。

5.3 快比較器

啟動期間，調(diào)節(jié)柵極電壓，確保檢測電阻兩端的電壓不超過啟動快速比較器閾值電壓（(V{SU,TH})），(V{SU,TH})為慢比較器閾值的兩倍。正常運行時，若負載電流達到快速比較器閾值，會產(chǎn)生故障，STAT_輸出無效，MOSFET柵極通過50mA下拉電流放電，響應時間為200ns。

六、欠壓鎖定（UVLO）

UVLO可防止MAX5930/MAX5931在一個輸入電壓超過(V{UVLO})（2.45V）達(t{D,UVLO})之前開啟外部MOSFET。設備使用最高輸入電壓軌的電源為電荷泵供電，最高(V{IN})通過BIAS引腳輸出。UVLO可保護外部MOSFET免受不足的柵極驅(qū)動電壓影響，(t{D,UVLO})確保電路板完全插入背板且輸入電壓穩(wěn)定。設備還包含UVLO干擾濾波器（(t_{D,GF})），可拒絕所有輸入電壓噪聲和瞬變。

七、故障管理與狀態(tài)輸出

7.1 鎖存和自動重試故障管理

MAX5930可配置為鎖存外部MOSFET關閉或自動重試。將(ON)引腳拉低至0.875V以下至少100μs可清除MAX5930/MAX5931（LATCH = FLOAT）的故障并重新啟動啟動周期。MAX5930/MAX5931（LATCH = GND）在檢測到過流故障時關閉外部MOSFET，然后在內(nèi)部設置的自動重試延遲（64倍(t_{START})）后自動重啟。

7.2 狀態(tài)輸出（STAT_）

狀態(tài)輸出（STAT）為開漏輸出，熱插拔成功且(t{START})結(jié)束后有效。若(ON)為低電平或通道因任何故障條件關閉，STAT_將無效。MAX5930可使用POL選擇STAT_輸出的極性。

八、應用與設計要點

8.1 組件選擇

• N溝道MOSFET：根據(jù)應用的電流水平選擇，MOSFET的導通電阻（(R_{DS(ON)})）應足夠低，以在滿載時實現(xiàn)最小電壓降，限制MOSFET功耗。需考慮設備在啟動和自動重試模式下的短路情況，確定設備的功率額定值。
• 檢測電阻：慢比較器閾值電壓可在25mV至100mV之間調(diào)節(jié)，應選擇能在高于最大正常工作電流的電流水平下產(chǎn)生等于慢比較器閾值電壓的壓降的檢測電阻。通常，過載電流設置為滿載電流的1.2至1.5倍?？焖俦容^器閾值在正常工作模式下為慢比較器閾值的兩倍。檢測電阻的功率額定值應大于或等于(2 × (I{OVERLOAD}) × V{SC,TH})。

  8.2 啟動周期設置

  啟動周期（(t{START})）可通過連接從TIM到GND的電阻（(R{TIM})）在0.4ms至50ms之間調(diào)節(jié)，(R{TIM})必須在4kΩ至500kΩ之間。默認啟動周期為9ms（TIM浮空時），可根據(jù)以下公式計算(R{TIM})： [R{TIM}=frac{t{START}}{128 × 800 pF}]

  8.3 啟動序列

  有兩種啟動方式：

• 緩慢開啟（無電流限制）：當電路板電容（(C_{BOARD})）較小時，浪涌電流低；或當柵極電容較高時，MOSFET開啟緩慢。開啟時間僅由增強MOSFET所需的電荷決定，100μA的小柵極充電電流有效限制了輸出電壓的(dV/dt)。連接外部電容可延長開啟時間。
• 快速開啟（有電流限制）：當電路板電容（(C{BOARD})）較高時，浪涌電流會導致檢測電阻兩端的電壓降超過啟動快速比較器閾值?？焖俦容^器將檢測電阻兩端的電壓調(diào)節(jié)到(V{FC,TH})，有效調(diào)節(jié)啟動時的浪涌電流。

  8.4 布局考慮

  為充分利用開關對輸出故障條件的響應時間，應盡量縮短所有走線長度，增大高電流走線尺寸，以減少寄生電感的影響。將MAX5930/MAX5931放置在靠近電路板連接器的位置，使用接地平面以最小化阻抗和電感。最小化電流檢測電阻的走線長度（<10mm），并使用開爾文連接確保準確的電流檢測。

MAX5930/MAX5931以其豐富的功能和靈活的配置，為多電源系統(tǒng)的熱插拔應用提供了可靠的解決方案。在實際設計中，工程師們需根據(jù)具體應用需求，合理選擇組件、設置參數(shù)，并注意布局布線，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能優(yōu)勢。你在使用類似熱插拔控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。