摘 要： 為降低冗余電源系統(tǒng)的功耗，LTC4225、LTC4227和LTC4228采用外部N溝道MOSFET作為傳遞組件，為兩個電源軌實(shí)現(xiàn)了理想二極管和熱插拔功能。從而在這些MOSFET接通時，最大限度地減小了從電源到負(fù)載的壓降。同時提供了快速反向斷開、平滑電源切換、有源電流限制以及狀態(tài)和故障報告功能。
關(guān)鍵詞： MOSFET；熱插拔；電源軌；欠壓
用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)有多種方式。例如，μTCA 網(wǎng)絡(luò)及存儲服務(wù)器等高可用性電子系統(tǒng)都在其冗余電源系統(tǒng)中采用了肖特基二極管“或”電路。二極管“或”電路還用于采用備用電源的系統(tǒng)，例如 AC 交流適配器和備份電池饋送。但肖特基二極管由于正向壓降而消耗功率，所產(chǎn)生的熱量必須通過PCB上的銅箔區(qū)散出，或者通過由螺栓固定到二極管上的散熱器散出，這兩種散熱方式都需要占用很大的空間。
凌力爾特公司的LTC4225、LTC4227和LTC4228產(chǎn)品系列用外部N溝道MOSFET作為傳遞組件，最大限度地降低了功耗，從而在這些MOSFET接通時，最大限度地減小了從電源到負(fù)載的壓降。當(dāng)輸入電源電壓降至低于輸出共模電源電壓時，關(guān)斷適當(dāng)?shù)腗OSFET，從而使功能和性能上與理想二極管匹配。
通過增加一個電流檢測電阻器，并配置兩個具備單獨(dú)柵極控制的背對背MOSFET，LTC4225憑借浪涌電流限制和過流保護(hù)提高了理想二極管的性能。這就允許電路板安全地插入或從帶電背板拔出，而不會損壞連接器。LTC4227可以這樣使用：在并聯(lián)連接的理想二極管 MOSFET之后，增加電流檢測電阻器和熱插拔(Hot Swap)MOSFET，以節(jié)省一個MOSFET。通過在理想二極管和熱插拔MOSFET之間配置檢測電阻器，LTC4228比LTC4225有了改進(jìn)，LTC4228能更快地從輸入電壓欠壓中恢復(fù)，以保持輸出電壓不變。
LTC4225-1、LTC4227-1和LTC4228-1具備鎖斷電路斷路器，而LTC4225-2、LTC4227-2和LTC4228-2提供故障后自動重試功能。LTC4225、LTC4227和LTC4228的兩種版本均分別采用24引腳、20引腳和28引腳4 mm×5 mm QFN以及SSOP封裝。
理想二極管控制
LTC4225和LTC4228用一個內(nèi)部柵極驅(qū)動放大器監(jiān)視IN和OUT引腳(就LTC4227而言是IN和SENSE+引腳)之間的電壓，起到了理想二極管的作用，該放大器驅(qū)動DGATE引腳。當(dāng)這個放大器檢測到大的正向壓降時，就快速拉高DGATE引腳，以接通MOSFET，實(shí)現(xiàn)理想二極管控制。
CPO和IN引腳之間連接的外部電容器提供理想二極管MOSFET快速接通所需的電荷。在器件加電時，內(nèi)部充電泵給這個電容器充電。DGATE引腳提供來自CPO引腳的電流，并將電流吸收到IN和GND引腳中。柵極驅(qū)動放大器控制DGATE引腳，以跟隨檢測電阻器和兩個外部N溝道MOSFET上的正向壓降，直至25 mV。
如果負(fù)載電流引起超過25 mV的壓降，則柵極電壓上升，以加強(qiáng)用于實(shí)現(xiàn)理想二極管控制的MOSFET。在MOSFET導(dǎo)通時，如果輸入電源短路，則會有很大的反向電流開始從負(fù)載流向輸入。故障一旦出現(xiàn)，柵極驅(qū)動放大器就會檢測到故障情況，并拉低DGATE引腳，以斷開理想二極管MOSFET。
熱插拔控制
拉高ON引腳并拉低/EN引腳，就啟動了一個100 ms的防反跳定時周期。在這個定時周期結(jié)束之后，來自充電泵的10 ?滋A電流使HGATE引腳斜坡上升。當(dāng)熱插拔MOSFET接通時，浪涌電流被限制到由外部檢測電阻器設(shè)定的值上，就LTC4225而言，該電阻器連接在IN和SENSE引腳之間(就LTC4227和LTC4228而言，是SENSE+和SENSE-引腳)。有源電流限制放大器伺服MOSFET的柵極，這樣電流檢測放大器上就會出現(xiàn)65 mV的電壓。如果檢測電壓高于50 mV的時間超過了在TMR引腳端配置的故障過濾器延遲時間，則電路斷路器就會斷開，并拉低HGATE引腳。如果需要，可以在HGATE引腳和GND引腳之間增加一個電容器，以進(jìn)一步降低浪涌電流。當(dāng)MOSFET柵極的過驅(qū)動(HGATE至OUT的電壓)超過4.2 V時，拉低/PWRGD引腳。
理想二極管和
熱插拔控制相結(jié)合
如圖1所示，在一個采用冗余電源的典型?滋TCA應(yīng)用中，在背板上對輸出進(jìn)行二極管“或”，這樣，不用斷開系統(tǒng)電源就可以取出或插入板卡。LTC4225和LTC4228都包括理想二極管和熱插拔控制器，非常適用于這類應(yīng)用。這些器件在兩個電源之間提供平滑的電源切換，還提供過流保護(hù)。
主電源掉電時控制器快速響應(yīng)，以斷開主電源通路中的理想二極管MOSFET，并接通冗余電源通路中的MOSFET，從而向輸出負(fù)載提供平滑的電源切換。熱插拔MOSFET保持接通，這樣這些MOSFET就不會影響電源切換。當(dāng)各自的ON引腳被拉低，或/EN引腳被拉高時，控制器斷開熱插拔MOSFET。當(dāng)在輸出端檢測到過流故障時，熱插拔MOSFET的柵極被快速拉低，之后輸出就穩(wěn)定在電流限制值上，直至由TMR引腳電容器設(shè)定的故障過濾器延遲超時為止。熱插拔MOSFET斷開，/FAULT引腳鎖定在低電平，以指示出現(xiàn)了故障。通過將ON引腳拉至低于0.6 V，可以使電子電路斷路器復(fù)位。
電源優(yōu)先級
在傳統(tǒng)的二極管“或”多電源系統(tǒng)中，由電壓較高的輸入電源給輸出供電，同時擋住電壓較低的電源。這種簡單的解決方案滿足了應(yīng)用的需求，在這應(yīng)用中，不是電壓較高的電源就有優(yōu)先權(quán)。圖2顯示了一個備份電源系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，無論何時，只要5 V主電源(INPUT1)可用，就由該電源給輸出供電，而12 V備份電源(INPUT2)僅當(dāng)主電源無法提供時才會使用。
當(dāng)INPUT1高于由ON1引腳端的R1-R2分壓器設(shè)定的4.3 V UV門限時，MH1接通，從而將INPUT1連接到輸出。當(dāng)MH1接通時，/PWRGD1變低，這又將ON2拉低，并通過斷開MH2來停用IN2通路。如果主電源無法提供，且INPUT1降至低于4.3 V，則ON1斷開MH1，且/PWRGD1變高，從而允許ON2接通MH2，并將INPUT2連接到輸出。在任何情況下，理想二極管MOSFET的MD1和MD2都要防止一個輸入到另一個輸入的反向饋送。
交換電源端和負(fù)載端的二極管和熱插拔FET
LTC4225允許采用背對背MOSFET方式，將在電源端的MOSFET配置為理想二極管，在負(fù)載端的MOSFET配置為熱插拔控制器，反之亦然。在MOSFET的GATE和SOURCE引腳之間也許需要一個外部齊納二極管來箝位，用以在MOSFET的柵源電壓額定值低于20 V時防止MOSFET擊穿。無論如何，LTC4225憑借理想二極管在IN和OUT引腳之間的“或”連接，都能平滑地在電源之間切換。
雙理想二極管和
單熱插拔控制器
圖3顯示了LTC4227的應(yīng)用，其中檢測電阻器放置在并聯(lián)連接的雙電源理想二極管MOSFET之后，檢測電阻器之后是單個熱插拔MOSFET。在故障超時之前，LTC4227以1x電流限制調(diào)節(jié)過載輸出，而不像LTC4225二極管“或”應(yīng)用那樣是以2x電流限制。因此，過載情況下的功耗降低了。
LTC4227還具有/D2ON引腳，這使得確定IN1電源的優(yōu)先級變得非常容易。例如，用一個簡單的電阻分壓器將IN1連接到/D2ON引腳，這樣IN1電源一直都是優(yōu)先的，直至IN1降至低于2.8 V為止。這時，MD2接通，二極管“或”輸出從IN1端的主3.3 V電源切換到IN2端的輔助3.3 V電源。
輸入發(fā)生故障時更快地恢復(fù)輸出
在圖1所示的LTC4225 ?滋TCA應(yīng)用中，如果一個輸入電源出現(xiàn)故障，短暫接地，而另一個電源不可用，那么HGATE就被拉低，以隨著IN電源降至低于欠壓閉鎖門限，而斷開熱插拔MOSFET。當(dāng)輸入電源恢復(fù)時，允許HGATE啟動以接通MOSFET。因?yàn)榻oHGATE和已耗盡的輸出電容充電需要花一點(diǎn)時間，所以在此期間也許會出現(xiàn)輸出電壓欠壓的情況。
在這種情況下，LTC4228能更快地恢復(fù)以保持輸出電壓不變，所以比LTC4225有優(yōu)勢。如圖4所示，檢測電阻器放置在理想二極管和熱插拔MOSFET之間，從而允許在輸入電源出現(xiàn)故障時，靠輸出負(fù)載電容暫時保持SENSE+引腳電壓不變。這可防止SENSE+電壓進(jìn)入欠壓閉鎖狀態(tài)，并防止斷開熱插拔MOSFET。輸入電源在恢復(fù)的同時，給已耗盡的負(fù)載電容充電，并即時給下游負(fù)載供電，因?yàn)闊岵灏蜯OSFET仍然處于接通狀態(tài)。
LTC4225、LTC4227和LTC4228通過控制外部N溝道MOSFET，為兩個電源軌實(shí)現(xiàn)了理想二極管和熱插拔功能。這些器件提供快速反向斷開、平滑電源切換、有源電流限制以及狀態(tài)和故障報告功能。這些器件具有嚴(yán)格的5%電路斷路器門限準(zhǔn)確度和快速響應(yīng)電流限制，可保護(hù)電源免受過流故障影響。LTC4228能從輸入電壓欠壓狀態(tài)快速恢復(fù)，因此在面臨此類事件時，可保持輸出電壓不變。