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、計算機網(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小時不間斷地工作。以往更換電源模塊設(shè)備需要停機這種情況對通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來講是不能接受的，而且目前在一個較大的電源系統(tǒng)中輸出電源的要求多種多樣，有時需要冗余備份或隨著設(shè)備負荷的增減來添加或撤除電源模塊，在增減電源模塊時必須保證所有設(shè)備的正常工作，熱拔插技術(shù)是解決此類問題的途徑。

2 實現(xiàn)熱拔插需要解決的問題：

當(dāng)一塊電源模塊插入一個正在工作的電源背板時，由于電源供應(yīng)電路中存在輸入電容，當(dāng)輸入電容充電時會產(chǎn)生很大的充電瞬時電流。這將會產(chǎn)生短時脈沖干擾（可能會影響到其他的電路板）和可能產(chǎn)生對電源供應(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，場效應(yīng)管就完全導(dǎo)通并由外部電源直接對電路進行供電。

3 功能簡介：

ISL6140是INTERSIL公司出品的負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控制外接N溝道的場效應(yīng)管的柵極上升電壓來實現(xiàn)。如果輸入電壓高于或低于設(shè)計輸入電壓變動范圍，開關(guān)管就會關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)短路時，一個可編程的電子斷路器將保護整個系統(tǒng)。另外該IC還提供一個信號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，適合于應(yīng)用于DC-DC的前級起熱拔插及過流、過壓、欠壓保護作用。

IC功能特性：

外接電源負端N溝道場效應(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（過流關(guān)斷）

可編程過壓保護

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)

負電壓供應(yīng)控制

+24V無線基站電源

IC管腳及電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹：

PIN1　 PWRGD　　　　　 ：　電源狀態(tài)信號輸出端

PIN2　 OV（Over-Voltage） :　 過壓保護檢測端

PIN3　 UV（Under-Voltage）:　 欠壓保護測試端

PIN4　 VEE　　　　　　　 ： 通常是電源的負端

PIN5　 SENSE　　　　　　 ： 過流檢測端，一般要接一電阻

PIN6　 GATE　　　　　　?。?N溝道場效應(yīng)管的柵極驅(qū)動端

PIN7　 DRAIN　　　　　　 ： N溝道場效應(yīng)管的漏極端

PIN8　 VDD　　　　　　　 ： 電壓正極輸入端

4　外圍元件參數(shù)計算：

①VUVL與VOVH的計算：

VUVL與VOVH是電路輸入電壓的允許波動范圍，在此范圍內(nèi)IC控制外接的N溝道場效應(yīng)管導(dǎo)通，電路正常工作，一旦輸入電壓超出此范圍，N溝道場效應(yīng)管截止。該IC通過兩個運算放大器來限定VUVL與VOVH。另外,R4、R5、R6這三個分壓電阻應(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溝道場效應(yīng)管的選擇:

N溝道場效應(yīng)管是電路的關(guān)鍵器件，應(yīng)從以下幾個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;場效應(yīng)管耗散功率或者是安全工作區(qū)域;場效應(yīng)管的柵極門限電壓;場效應(yīng)管的通態(tài)電阻(Rdson)。所選的場效應(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)濟性。

③限流電阻的選擇:

R1是過流檢測電阻。只要在R1上檢測到超過50mV電壓，GATE管腳上的電壓將變成低電位，場效應(yīng)管就會關(guān)斷。因此只要設(shè)定了電路過流保護的電流值就可計算出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—負載電容； I柵極電流—N溝道場效應(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—場效應(yīng)管最小柵極門限電壓；Cgd—場效應(yīng)管柵漏極間電容

R3=（Vinmax+ΔVgate）/5mA　典型值為18KΩ

⑤電源信號輸出設(shè)計

PWRGD是個電源信號輸出端口，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的PWM控制芯片的軟啟動功能

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輸出，應(yīng)使該端口懸空

5　實際電路設(shè)計中須注意的幾個問題：

①R1電阻的選擇要點及布線要求

R1的PCB布線設(shè)計對電路的影響比較大。在實際的設(shè)計過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)計的過程中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電流保護時大電流的要求。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，走線長度要盡可能地短。例如下圖所示：

②抑制瞬時過流脈沖的方法

為了使電路中的瞬時過流不至于關(guān)斷電源可在R1兩端并連一濾波器。

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

t= ─R*C*ln[1-(V(t)-V(t0))/(Vi-V(t0))]

V(t)----觸發(fā)電壓

Vi----過電流保護時在R1上的電壓

V(t0)----正常工作時電流在R1上的電壓

例如:有一個系統(tǒng)正常的工作電流是1A, 2.5A時過電流保護,R1為20mΩ,須濾除50us、5A的電流脈沖。計算如下：

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溝道場效應(yīng)管應(yīng)選擇能持續(xù)通過更大電流的型號，因為IC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

R4要比R5、R6大得多，在選擇電阻參數(shù)時首先選擇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。為了消除外界瞬時脈沖對電路的影響，在UV對VEE或OV與UV之間加上濾波器也是不錯的方法。

④IC的過壓保護要求

ISL6140本身只能承受最大100V的額定電壓，即使是短暫的過壓也將造成IC永久性的損傷并且會影響到其它元器件。為了保護IC可在IC的VDD與VEE之間加上一個突波吸收器（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范圍、預(yù)計須吸收功率的大小、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、多種保護功能、良好的性價比將得到進一步的應(yīng)用。