ISL6140熱拔插芯片在DC-DC開關(guān)電源中的應(yīng)用

1 引言

隨著通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大量應(yīng)用，供給此類設(shè)備的電源要求24小時(shí)不間斷地工作。以往更換電源模塊設(shè)備需要停機(jī)這種情況對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)講是不能接受的，而且目前在一個(gè)較大的電源系統(tǒng)中輸出電源的要求多種多樣，有時(shí)需要冗余備份或隨著設(shè)備負(fù)荷的增減來(lái)添加或撤除電源模塊，在增減電源模塊時(shí)必須保證所有設(shè)備的正常工作，熱拔插技術(shù)是解決此類問(wèn)題的途徑。

2 實(shí)現(xiàn)熱拔插需要解決的問(wèn)題：

當(dāng)一塊電源模塊插入一個(gè)正在工作的電源背板時(shí)，由于電源供應(yīng)電路中存在輸入電容，當(dāng)輸入電容充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的充電瞬時(shí)電流。這將會(huì)產(chǎn)生短時(shí)脈沖干擾（可能會(huì)影響到其他的電路板）和可能產(chǎn)生對(duì)電源供應(yīng)器永久性的損傷。允許熱拔插的關(guān)鍵是控制電源輸入，通常采用控制場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流由小到大緩慢地變化，直到輸入電容上充滿電荷為止。當(dāng)輸入電容充滿電后，場(chǎng)效應(yīng)管就完全導(dǎo)通并由外部電源直接對(duì)電路進(jìn)行供電。

3 功能簡(jiǎn)介：

ISL6140是INTERSIL公司出品的負(fù)電壓熱拔插型控制器。它允許電源模塊安全地從正在工作的電源背板上拔下或插上。突入電流的限制值可通過(guò)控制外接N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極上升電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果輸入電壓高于或低于設(shè)計(jì)輸入電壓變動(dòng)范圍，開關(guān)管就會(huì)關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)短路時(shí)，一個(gè)可編程的電子斷路器將保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。另外該IC還提供一個(gè)信號(hào)輸出端用于直接顯示輸入電源電壓的正常與否。

ISL6140所使用的外部器件少，控制功能強(qiáng)，適合于應(yīng)用于DC-DC的前級(jí)起熱拔插及過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)作用。

IC功能特性：

外接電源負(fù)端N溝道場(chǎng)效應(yīng)管

工作電壓范圍從-10V到-80V（-100V額定最大值）或者從+10V到+80V（+100V額定最大值）

突入電流值可自行設(shè)定

可編程電子線路斷路器（過(guò)流關(guān)斷）

可編程過(guò)壓保護(hù)

可編程低壓切斷

輸入電壓狀態(tài)顯示

應(yīng)用領(lǐng)域：

VOIP（Voice Over Internet Protocol）服務(wù)器

-48V電信系統(tǒng)

負(fù)電壓供應(yīng)控制

+24V無(wú)線基站電源

IC管腳及電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹：

PIN1　 PWRGD　　　　　 ：　電源狀態(tài)信號(hào)輸出端

PIN2　 OV（Over-Voltage） :　 過(guò)壓保護(hù)檢測(cè)端

PIN3　 UV（Under-Voltage）:　 欠壓保護(hù)測(cè)試端

PIN4　 VEE　　　　　　　 ： 通常是電源的負(fù)端

PIN5　 SENSE　　　　　　 ： 過(guò)流檢測(cè)端，一般要接一電阻

PIN6　 GATE　　　　　　?。?N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)端

PIN7　 DRAIN　　　　　　 ： N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的漏極端

PIN8　 VDD　　　　　　　 ： 電壓正極輸入端

4　外圍元件參數(shù)計(jì)算：

①VUVL與VOVH的計(jì)算：

VUVL與VOVH是電路輸入電壓的允許波動(dòng)范圍，在此范圍內(nèi)IC控制外接的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電路正常工作，一旦輸入電壓超出此范圍，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管截止。該IC通過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)限定VUVL與VOVH。另外,R4、R5、R6這三個(gè)分壓電阻應(yīng)選擇精度高，溫度系數(shù)小的精密電阻（例如：1%的金屬氧化膜電阻）。

計(jì)算公式如下所示：

VUV=1.223(R4+R5+R6)/(R5+R6)

VOV=1.223(R4+R5+R6)/(R6)

電路觸發(fā)的電壓波形如下圖所示：

Tphlov:　0.6~3.0us　典型值為：1.6us　　　　 Tplhov: 1.0~12.0us　 典型值為：7.8us

Tphluv:　0.6~3.0us　典型值為：1.3us　　　　 Tplhuv: 1.0~12.0us　 典型值為：8.4us

②N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的選擇:

N溝道場(chǎng)效應(yīng)管是電路的關(guān)鍵器件，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮該器件的參數(shù):

最大的輸入電壓(包括瞬態(tài)沖擊)和輸出瞬態(tài)電壓;最大工作電流;場(chǎng)效應(yīng)管耗散功率或者是安全工作區(qū)域;場(chǎng)效應(yīng)管的柵極門限電壓;場(chǎng)效應(yīng)管的通態(tài)電阻(Rdson)。所選的場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)在滿足上述條件的基礎(chǔ)上考慮足夠的余量及經(jīng)濟(jì)性。

③限流電阻的選擇:

R1是過(guò)流檢測(cè)電阻。只要在R1上檢測(cè)到超過(guò)50mV電壓，GATE管腳上的電壓將變成低電位，場(chǎng)效應(yīng)管就會(huì)關(guān)斷。因此只要設(shè)定了電路過(guò)流保護(hù)的電流值就可計(jì)算出R1的值。

R1=V/Ioc=0.05V/Ioc

④R2、C1、R3、C2參數(shù)選擇：

R2可取典型值10Ω

R3和C2是用于控制突入電流的反饋網(wǎng)絡(luò)。

I突入電流=（I柵極電流*CL）/C2　 CL—負(fù)載電容； I柵極電流—N溝道場(chǎng)效應(yīng)管柵極充電電流45uA

C2=(45uA*CL)/I突入電流

C1=(Vinmax-Vth)/Vth*(C2+Cgd)

Vinmax—最大輸入電壓；Vth—場(chǎng)效應(yīng)管最小柵極門限電壓；Cgd—場(chǎng)效應(yīng)管柵漏極間電容

R3=（Vinmax+ΔVgate）/5mA　典型值為18KΩ

⑤電源信號(hào)輸出設(shè)計(jì)

PWRGD是個(gè)電源信號(hào)輸出端口，它可以很直觀地顯示外部電源的輸入狀態(tài)。

光耦輸出方式　　　　　 　 LED顯示方式

光耦輸出方式可以與控制后級(jí)的PWM控制芯片的軟啟動(dòng)功能

LED顯示方式則很直觀地顯示輸入電壓的狀況

如果不須外接任何信號(hào)輸出，應(yīng)使該端口懸空

5　實(shí)際電路設(shè)計(jì)中須注意的幾個(gè)問(wèn)題：

①R1電阻的選擇要點(diǎn)及布線要求

R1的PCB布線設(shè)計(jì)對(duì)電路的影響比較大。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須盡量減少外界干擾的影響。另外由于R1處于輸入輸出的主回路中所以在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中PCB走線的寬度要足夠?qū)?，不僅要能滿足正常工作電流的需要而且要能滿足過(guò)電流保護(hù)時(shí)大電流的要求。理想的R1布線應(yīng)一端直接接在PIN4（VEE）另一端直接接在PIN5（SENSE），位置盡可能近，走線長(zhǎng)度要盡可能地短。例如下圖所示：

②抑制瞬時(shí)過(guò)流脈沖的方法

為了使電路中的瞬時(shí)過(guò)流不至于關(guān)斷電源可在R1兩端并連一濾波器。

如果需要抑制的瞬時(shí)電流脈沖寬度超過(guò)3us（低于3us由IC內(nèi)建的濾波器來(lái)控制）就需要上圖所示的由C3和R7組成的低通濾波器來(lái)濾除。R7的值不能太大，推薦使用100Ω。脈沖的寬度由下式來(lái)確定：

t= ─R*C*ln[1-(V(t)-V(t0))/(Vi-V(t0))]

V(t)----觸發(fā)電壓

Vi----過(guò)電流保護(hù)時(shí)在R1上的電壓

V(t0)----正常工作時(shí)電流在R1上的電壓

例如:有一個(gè)系統(tǒng)正常的工作電流是1A, 2.5A時(shí)過(guò)電流保護(hù),R1為20mΩ,須濾除50us、5A的電流脈沖。計(jì)算如下：

V(t)=50mV(系統(tǒng)規(guī)定)

V(t0)=20mV(V=I*R=1A*20mΩ)

Vi=100mV(V=I*R=5A*20mΩ)

如果R1=100Ω　那么C3應(yīng)選1uF

注：N溝道場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)選擇能持續(xù)通過(guò)更大電流的型號(hào)，因?yàn)镮C不能限制電流大小，RC濾波器只是起到延遲

關(guān)斷FET的效果。如果FET的工作電流小于瞬態(tài)過(guò)流的的電流值就有可能造成FET的受損。

③OV和UV應(yīng)用注意點(diǎn)

R4要比R5、R6大得多，在選擇電阻參數(shù)時(shí)首先選擇R4，OV及UV的灌電流設(shè)定在100uA左右。

例如：50V輸入電壓，R4可選500KΩ，那么R5、R6可選10KΩ左右的電阻。為了消除外界瞬時(shí)脈沖對(duì)電路的影響，在UV對(duì)VEE或OV與UV之間加上濾波器也是不錯(cuò)的方法。

④IC的過(guò)壓保護(hù)要求

ISL6140本身只能承受最大100V的額定電壓，即使是短暫的過(guò)壓也將造成IC永久性的損傷并且會(huì)影響到其它元器件。為了保護(hù)IC可在IC的VDD與VEE之間加上一個(gè)突波吸收器（例如DIODE公司的SMAT70A，吸收功率400W，最大擊穿電壓89V，最小擊穿電壓70V，反向最大脈沖電流3.5A）。突波吸收器的選擇依據(jù)是電源正常的輸入電壓變動(dòng)范圍、預(yù)計(jì)須吸收功率的大小、最大的反向脈沖電流。

6 小結(jié)

隨著DC-DC模塊的廣泛應(yīng)用、通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)高性能電源的需求不斷提高，熱拔插控制芯片以少量的外圍元件、多種保護(hù)功能、良好的性價(jià)比將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。