ADM4210热插拔控制器的原理及应用

2011-06-14 17:47:40来源: 互联网
1 引言
   
“热拔插”是指将板卡与带电丁作底板进行插拔,即带电插拔。当板卡插入时,工作底板已处于稳定T作状态,所有电容均被充满电,而待插人的板卡是不带电的,板卡的电容没有电荷。因此,当板卡与工作底板接触时,由于板卡上电容的充电从工作底板电源吸入较大的瞬时电流。当把带电的板卡拔出工作底板时,由于板卡上旁路电容的放电,在板卡与带电背板间形成一条低阻通路,将产生较大的瞬时电流。这两种情况下较大的瞬时电流。使工作底板电源出现瞬时跌落.从而引发底板工作状态错误。更为严重的会导致连接器、电路元件、电路板的金属连线等部件或器件的损坏。ADM4210热插拔控制器,通过外接一个N沟道功率场效应管MOSFET和少数外围元件,即可实现板卡与带电工作底板间的安全热插拔。ADM4210热捕拔控制器可用于电子设备中工作底板,也可以用于移动的板卡。


2 ADM4210结构
2.1 内部结构
    ADM4210内部主要结构包括:欠压锁定电路,消抖滤波比较器,MOSFET极驱动器,电流控制环,延时断路器,定时器等。如图1所示。

2.2 欠压锁定电路
    ADM4210工作电压2.7~16.5 V,欠压锁定电路检查输入电压是否足以保证器件正常工作。当输入电压低于欠压锁定电压(UALO),欠压锁定电路使ADM4210保持复位,GATE引脚接地,MOSFET断开;当输入电压达到工作电压范围且0N引脚为高电平,器件启动,同时0N引脚的外接分压电阻用来设置一个比内部欠压锁定高的锁定电压。
2.3 消抖滤波比较器
    0N为器件使能引脚,连接内部1.3 V门限的消抖滤波比较器。0N低电平,ADM4210重启,通过GATE接地,关断外部的MOSFET:0N高电平,器件工作。在插拔电路板时,内部存在大约3 μs的消抖滤波延时,0N引脚外接RC滤波电路可延长插拔电路板延时时间。
2.4 MOSFET栅极驱动器
    内部电荷泵实现外部N沟道MOSFET栅极驱动,电荷泵给栅极驱动器提供12μA的上拉电流。在热插拔电路板时,会突然出现电流浪涌,总线上的电压下降影响相邻电路板正常工作,引发系统故障。MOSFET栅极驱动器通过控制外部MOSFET栅极电压,最小化故障引发的总线电压下落。保护邻近电路板。在欠压锁定模式,通到GATE引脚强大的下拉电路保持GATE引脚低电平,进而减小热插拔时的浪涌电流。当电路过流时,MOSFET栅极驱动器电路尽力保持负载恒流直到断路器响应。
2.5 电流控制环
    ADM4210通过外部的感应电阻两端的电压降监测电路电流,当大电流出现时,通过降低外部MOSFET栅极电压.保持感应电阻两端压降50 mV,此电流控制环响应快速.能有效的控制浪涌电流。
2.6 延时断路器
   
断路器是一种过流保护装置。串接在电源与负载之间。当发生过流或短路故障时,断路器自动跳闸使负载断开电源。电路负载阻抗过低或短路等情况,感应电阻电流接近电流限制,断路器定时器初激活,若电流回落,定时器复位。当感应电阻电压降到44 mV以下时,定时器关闭;相反.如果电路过电流持续,过流时间达到断路器延时周期,GATE引脚关闭。
2.7 定时器
    TIMER引脚外接定时电容CTIMER,控制上电初始化周期、断路器延时周期,以及自动重试的脉冲周期(针对ADM4210—1)。通过选择不同的上拉(5μA、60μA)或下拉电流(2μA、100μA)给TIMER引脚外接的定时电容充放电,来控制不同功能周期的时间长短。TIMER引脚内接高低端电压比较器,TIMER引脚电压与COMPl(0.2 V)和COMP2(1.3 V)电压比较实现上电启动、过流关断、自动重试等功能的选择。

3 引脚功能
    ADM4210采用6引脚TSOT封装,各引脚功能见表l。

4 性能特点
    ①2.7~16.5V的工作电压范围;②提供电路板热插拔保护;③断路器跳断电流限制通过外部感应电阻可调;④峰故障电流响应快速;⑤电荷泵栅极驱动控制外部MOSFET开关:⑥支持故障后自动重试模式(ADM4210—1);⑦支持故障后自动锁断模式(ADM4210—2);⑧支持欠压锁定。

5 工作原理
   
板卡与工作底板进行热插拔时,通过外接的感应电阻RSENSE监测负载电流,若电路出现过流、短路故障,ADM4210将降低MOSFET的栅极电压进入限流模式.同时开启断路器延时定时器,如果限流延时期满故障仍未排除。ADM4210将断开外接MOSFET,切断电路连接。故障后的处理,ADM4210的两种型号器件略有不同:①ADM4210一l进入自动重试模式,即故障出现后,器件在重试延时周期结束时自动重试连接电路,直到故障排除;②ADM4210—2则进人锁断模式,即故障出现后,器件将锁断电路连接,直到外部提供复位信号,器件才重新启动连接电路。ADM4210主要工作过程包括上电启动和故障保护。
5.1 上电启动
   
上电后,ON引脚为低电平,ADM4210复位,GATE引脚被下拉为低电平,MOSFET断开,TIMER引脚被100μA电流下拉为低电平,当ON引脚升为高电平(大于1.3 V),如图2位置2,同时输入端电压高于欠压锁定电压UALO,TIMER引脚低于0.2 V,启动过程开始。内部电路通过5μA电流给TIMER引脚定时电容CTIMER充电,当TIMER引脚电压达到COMP2(1.3 V),初始化第一阶段结束,如图2位置3,然后改用100μA下拉电流给电容CTIMER放电,直到TIMER引脚电压低于O.2 V,图2位置4,初始化过程结束。启动周期开始.TIMER引脚电平继续降低,GATE引脚被拉为高电平。MOS-FET闭合,电路接通,启动完成。

5.2 故障保护
   
当感应电阻电压超过断路器的跳断电压,定时电容CTIMER通过60 μA上拉电流充电,若在TIMER引脚电平达到1.3 V前,感应电阻电压降到断路器跳断电压以下,定时电容CTIMER通过2μA的下拉电流放电,断路器并不关断电路,这样保证了瞬间过流不影响电路正常工作。但是,若过流持续,60μA上拉电流断续给定时电容充电,当TIMER的引脚电压超过l.3 V,GATE引脚被拉为低电平,外部MOSFET断开电路连接,如图3所示。

    (1)ADM4210—1自动重试模式 当TIMER引脚电压超过1.3 V,ADM4210—1改用2μ下拉电流给定时电容放电,当TIMER引脚电平降到COMPl(0.2 V),用100μA下拉电流给定时电容快速放电,同时GATE引脚升为高电平,重试接通电路,如图3所示。自动重试周期由定时电容确定,占空比为2μA/60μA,大约3.8%,即重新检测电流周期中,3.8%时间电路连通tON,96.2%时间电路断开£。,这样可以确保器件有足够时间冷却。

    (2)ADM4210—2锁断模式 当TIMER的引脚电压超过1.3 V,ADM4210—2改用5μA上拉电流继续给定时电容充电,维持TIMER引脚电平高于1.3 V、GATE引脚低电平,电路保持开路。直到0N引脚出现低电平或将TIMER引脚电平拉低,芯片复位,如图4所示。


6 实际应用电路设计
6.1 ADM4210热插拔保护电路
    ADM4210构成的热插拔保护电路如图5所示,上电启动信号如图6所示。

6.2 外围器件选择
    (1)N沟道MOSFET MOSFET管额定电流必须满足负载电流的要求,在满负荷范围内,MOSFET导通电阻比应足够小.以降低栅漏间的压差,减小功耗
    (2)感应电阻RSENSE监测感应电压,电压比较器门限电压为50 mV,选择感应电阻时应保证当负载过流时,感应电阻电压不低于50 mV,过载电流一般设置为正常工作时负载电流的1倍。例如,负载正常工作电流为100 mA,则RSENSE=50 mV/(2×100 mA),即0.25Ω。
    (3)定时电容CTIMER定时器通过不同的内部电流对定时电容充放电,以及不同触发电平选择,确定不同功能电路周期,即初始化周期tINTIAL,断路器延时周期tBREAKER以及自动重试周期tRETRY(针对ADM4210一1),根据图2上电启动过程,初始化周期为272.9 ms/μF,由图3和图4故障保护过程可知,断路器延时周期为21.6 ms/μF,自动重试周期21.7 ms/μF,计算过程如下:

   
    例如,当定时电容为0.22μF时,初始化周期为60 ms,断路器延时周期4.75 ms,自动重试周期4.77 ms。

7 结语
    ADM4210为电路提供欠压、过压、过流和短路保护,在不响应工作底板正常运行情况下,完成板卡的热插拔。除此之外,ADM4210还可广泛应用于电路电源保护器,工业高端开关和高端电路的断路器,电子电路的断路器等场合,具有极高的应用价值和广泛的应用前景。

关键字:原理  应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0614/article_6735.html
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