熱插拔控制器在直流升壓電路中的設(shè)計應(yīng)用

0 引言

熱插拔保護(hù)電路通常用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、以及其他形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施等高可用性系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常需要在帶電狀態(tài)下替換發(fā)生故障的電路板或模塊，而系統(tǒng)照樣維持正常運轉(zhuǎn)，這個過程稱為熱插拔(Hot Swapping)。本文將闡述熱插拔控制器的另一種用法，利用熱插拔保護(hù)電路具有的過流和短路保護(hù)功能，解決開關(guān)直流升壓電路的輸出端保護(hù)問題。

1 開關(guān)直流升壓電路的基本原理

開關(guān)直流升壓電路(The Boost Converter或者Step-up Converter)，是一種開關(guān)直流升壓電路。輸出電壓高于輸入電壓，輸出電壓極性不變，基本電路圖如圖1所示。

開關(guān)管導(dǎo)通時，電源經(jīng)由電感-開關(guān)管形成回路，電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存;開關(guān)管關(guān)斷時，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負(fù)右正，此電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管-負(fù)載形成回路，完成升壓功能。

輸出過流時，電路會采樣開關(guān)管的峰值電流，減小占空比，導(dǎo)致輸出電壓下降。當(dāng)輸出電壓降到輸入電壓時，過流保護(hù)不再受控，保護(hù)失效。另外輸出過流點還會隨著輸入電壓升高而變大。當(dāng)輸出短路時，輸入電源會通過電感、升壓二極管形成短路回路，導(dǎo)致電源故障。BOOST 電路還有一個缺陷是不方便控制關(guān)閉輸出，當(dāng)控制芯片關(guān)閉，開關(guān)管截止時，輸出仍然有電壓，不像BUCK電路，很方便的將輸出電壓降到0 V.

2 熱插拔控制器的基本原理

熱插拔(Hot-Plugging或Hot Swap)即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的電源或板卡等部件，從而提高了系統(tǒng)對災(zāi)難的及時恢復(fù)能力、擴(kuò)展性和靈活性。如果沒有熱插拔控制器，負(fù)載端的模塊插拔時，會對電源產(chǎn)生浪涌電流的沖擊，影響電壓的穩(wěn)定與電源的可靠性。這個問題可通過熱插拔控制器來解決，熱插拔控制器能合理控制浪涌電流，確保安全上電間隔。上電后，熱插拔控制器還能持續(xù)監(jiān)控電源電流，在正常工作過程中避免短路和過流。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計與實例

3.1 電源要求

電源實例如圖2所示，其中的電源輸入9~18 V,額定輸出28 V/1.2 A,過流保護(hù)1.5 A.

3.2 電路簡介

這是一款用了TPS2491 熱插拔控制芯片的升壓電路，帶有輸出過流短路保護(hù)，當(dāng)遙控端CTL接地時，電源進(jìn)入待機(jī)模式，輸出為零。

熱插拔控制器包括用作電源控制主開關(guān)的N 溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻以及熱插拔控制器TPS2491 三個主要元件，如上圖2所示。熱插拔控制器用于實現(xiàn)控制MOSFET導(dǎo)通電流的環(huán)路，其中包含一個電流檢測比較器。電流檢測比較器用于監(jiān)控外部檢測電阻上的電壓降。當(dāng)流過檢測電阻上產(chǎn)生50 mV以上電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過流，關(guān)閉MOSFET.TPS2491具有軟啟動功能，其中過流基準(zhǔn)電壓線性上升，而不是突然開啟，這使得負(fù)載電流也以類似方式跟著變化。

TPS2491 內(nèi)部集成了比較器及參考電壓構(gòu)成的開啟電路用于使能輸出。比較器的開啟電壓為1.35 V,關(guān)閉電壓1.25 V,有0.1 V 的滯差保證工作的穩(wěn)定。通過分壓電阻精確設(shè)定了使能控制器所必須達(dá)到的電源電壓。器件一旦使能，MOSFET 柵極就開始充電，這種電路所使用的N 溝道MOSFET 的柵極電壓必須高于源極。為了在整個電源電壓(VCC) 范圍內(nèi)實現(xiàn)這個條件，熱插拔控制器集成了一個電荷泵，能夠?qū)ATE引腳的電壓維持在比VCC 還高10 V 的水平。必要時，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來使能MOSFET,并需要下拉電流來禁用MOSFET.較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強(qiáng)的下拉電流則用于在短路情況下快速關(guān)閉MOSFET.

熱插拔控制器還有一個模塊為定時器，它限制過流情況下電流的調(diào)節(jié)時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標(biāo)出這個范圍，或稱作安全工作區(qū)(SOA)。

定時器還決定控制器自動重啟的時間，故障導(dǎo)致關(guān)閉MOSFET,經(jīng)過16 個振蕩周期后，芯片重新使能輸出。

3.3 設(shè)計過程

(4)選擇CT

選擇合適的電容，保證輸出啟動時能完成輸出電容的充電且不引起故障保護(hù)的動作。

(5)選擇使能啟動電壓

EN端啟動電壓為1.35 V,關(guān)閉電壓為1.25 V.利用此引腳，可以做輸入欠壓保護(hù);設(shè)計分壓電阻為240 kΩ和13 kΩ，開啟電壓為26.3 V,在24.3 V時關(guān)閉。

(6)其他參數(shù)

GATE驅(qū)動電阻，為了抑制高頻振蕩，通常取10 Ω;PG 端上拉電阻，保證吸收電流小于2 mA,在本設(shè)計中不需要，懸空處理;Vcc端旁路電容，取0.1 μF.

電源使能端串聯(lián)一個二極管BAV70,低電平時可以關(guān)閉升壓電路和電源輸出。

4 測試結(jié)果和各測試點的工作波形

測試結(jié)果為過流保護(hù)動作點：1.45 A;輸出長期短路無損壞，短路去除恢復(fù)輸出;遙控端使能工作正常。

上電時各個測試點波形如圖4所示。

圖4中CH2是升壓后的電壓，當(dāng)輸入加電，升壓電路立即工作，很快達(dá)到28 V.為了防止后極負(fù)載的浪涌電流對MOSFET的沖擊，可以看到驅(qū)動電壓(CH1)是緩慢上升的，輸出電壓(CH3)也是跟隨緩慢上升。在啟動過程中，很明顯看到MOSFET的驅(qū)動電壓不高，MOSFET工作于線性區(qū)，同樣可以抑制輸出端電流的增大，有效保護(hù)MOSFET在啟動過程中不過載。

正常工作時的各點電壓如圖5所示。由圖5可以看到，正常工作時，輸出電壓(CH3)等于升壓后的電壓(CH2)，MOSFET驅(qū)動電壓(CH1)比輸出電壓高了14 V,可以保證MOSFET良好導(dǎo)通，降低熱耗和壓差。

當(dāng)負(fù)載過流或短路時的波形如圖6所示。由圖6可以看到，當(dāng)輸出過流或短路時，MOSFET驅(qū)動電壓(CH1)迅速下降，導(dǎo)致輸出電壓(CH3)跟著下降，有效的保護(hù)電源的安全。經(jīng)過2 s的重啟周期后，驅(qū)動電壓有個小小的試探電壓，如果故障仍然存在，重啟不成功，驅(qū)動電壓又恢復(fù)到零。反之重啟成功，正常輸出。如圖7所示。

5 結(jié)語

實踐證明，基于TPS2491熱插拔控制器的保護(hù)控制電路具有電路簡單可靠，應(yīng)用方便的特點。本電路應(yīng)用于開關(guān)直流升壓電路中，完美解決了原來沒有輸出過流短路保護(hù)以及不能遙控輸出的缺陷，收到了良好效果。