利用理想二極管和熱插拔控制器隔離電源故障

用肖特基二極管實現(xiàn)多電源系統(tǒng)有多種方式。例如，μTCA網(wǎng)絡及存儲服務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。問題是，肖特基二極管由于正向壓降而消耗功率，所產(chǎn)生的熱量必須用PCB上專門的銅箔區(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。

凌力爾特公司的一個產(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載的壓降，這個產(chǎn)品系列包括 LTC4225、LTC4227和LTC4228。當輸入電源電壓降至低于輸出共模電源電壓時，關斷適當?shù)腗OSFET，從而使功能和性能上與理想二極管匹配。

如圖1所示，通過增加一個電流檢測電阻器，并配置兩個具備單獨柵極控制的背對背MOSFET，LTC4225憑借浪涌電流限制和過流保護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，LTC4228能更快地從輸入電壓欠壓中恢復，以保持輸出電壓不變。

圖1：采用檢測電阻器和外部N溝道MOSFET的LTC4225、LTC4227和LTC4228的不同配置
* ADDITIONAL DETAILS OMITTED FOR CLARITY：* 為清晰起見，略去了一些細節(jié)

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4mm x 5mm 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，該放大器驅動DGATE引腳。當這個放大器檢測到大的正向壓降(圖2) 時，就快速拉高DGATE引腳，以接通MOSFET，實現(xiàn)理想二極管控制。

圖2：當IN電源接通時，拉高理想二極管控制器CPO和DGATE引腳

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25mV。

如果負載電流引起超過25mV的壓降，那么柵極電壓就上升，以加強用于實現(xiàn)理想二極管控制的MOSFET。在MOSFET導通時，如果輸入電源短路，那么會有很大的反向電流開始從負載流向輸入。故障一出現(xiàn)，柵極驅動放大器就會檢測到故障情況，并拉低DGATE， 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100ms的防反跳定時周期。在這個定時周期結束之后，來自充電泵的10μA電流使HGATE引腳斜坡上升。當熱插拔MOSFET接通時，浪涌電流被限制到由外部檢測電阻器設定的值上，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)65mV的電壓。如果檢測電壓高于50mV的時間超過了在TMR引腳端配置的故障過濾器延遲時間，那么電路斷路器就斷開，并拉低HGATE。如果需要，可以在HGATE和GND之間增加一個電容器，以進一步降低浪涌電流。當MOSFET柵極的過驅動 (HGATE至OUT的電壓) 超過4.2V時，拉低/PWRGD引腳 (圖 3)。

圖3：當ON引腳切換到高電平時，在100ms延遲之后，熱插拔控制器HGATE啟動，PWRGD被拉低

理想二極管和熱插拔控制相結合

在一個采用冗余電源的典型μTCA應用中 (圖4和9)，在背板上對輸出進行二極管“或”，以不用斷開系統(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。

圖4：在μTCA應用中，LTC4225為兩個μTCA插槽提供12V電源
PLUG-IN CARD-1：插入式板卡 1
BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR：降壓模式電源旁路電容器
BACKPLANE：背板

如果主電源掉電，那么控制器就快速響應，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0.6V，可以使電子電路斷路器復位。

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用的需求，在這應用中，電源的優(yōu)先權不僅是電壓較高的電源就優(yōu)先的問題。圖5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5V主電源(INPUT1)可用，就由該電源給輸出供電，而12V備份電源(INPUT2)僅當主電源無法提供時才會使用。

只要INPUT1高于由ON1引腳端的R1-R2分壓器設定的4.3V UV門限，MH1就接通，從而將INPUT1連接到輸出。當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4.3V，那么ON1就斷開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 MD1和MD2都要防止一個輸入到另一個輸入的反向饋送。

圖5：用 LTC4225實現(xiàn)以IN1作為優(yōu)先輸入的雙通道電源優(yōu)先級區(qū)分器
PRIMARY SUPPLY：主電源
BACKUP SUPPLY：備份電源

交換電源端和負載端的二極管和熱插拔FET

LTC4225允許采用背對背MOSFET的應用將在電源端的MOSFET配置為理想二極管，在負載端的MOSFET配置為熱插拔控制器(圖 4)，反之亦然(圖6)。圖6中，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，以在MOSFET的柵源電壓額定值低于20V時防止MOSFET擊穿。無論是按照那安排，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。

圖6：用LTC4225實現(xiàn)在電源端具備熱插拔MOSFET、在負載端具備理想二極管MOSFET的應用
BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR：降壓模式電源旁路電容器
PLUG-IN CARD1：插入式板卡1
BACKPLANE：背板

雙理想二極管和單熱插拔控制器

圖7顯示了LTC4227的應用，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。圖中，在故障超時之前，LTC4227以1x電流限制調節(jié)過載輸出，而不像LTC4225二極管“或”應用那樣是以2x電流限制。因此，在過載情況下，功耗降低了。

圖7：用LTC4227實現(xiàn)具備熱插拔控制和存在板卡的二極管“或”應用
BACKPLANE CONNECTOR：背板連接器
CARD CONNECTOR：板卡連接器

LTC4227還具有/D2ON引腳，這允許非常容易地確定IN1電源的優(yōu)先級。例如，圖8顯示了一個簡單的電阻分壓器，該分壓器將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2.8V為止，這時，MD2接通，二極管“或”輸出從IN1端的主3.3V電源切換到IN2端的輔助3.3V電源。

圖8：通過LTC4227的D2ON，插入式板卡的IN1電源控制IN2電源的接通
BACKPLANE CONNECTOR：背板連接器
CARD CONNECTOR：板卡連接器

在輸入發(fā)生故障時，更快地恢復輸出

在圖4所示的LTC4225 μTCA應用中，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。當輸入電源恢復時，允許HGATE啟動以接通MOSFET。因為給HGATE和已耗盡的輸出電容充電需要花一點時間，所以在此期間也許會出現(xiàn)輸出電壓欠壓情況。

在這種情況下，LTC4228能更快地恢復以保持輸出電壓不變，所以比LTC4225有優(yōu)勢。如圖9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，靠輸出負載電容暫時保持SENSE+ 引腳電壓不變。這可防止SENSE+ 電壓進入欠壓閉鎖狀態(tài)，并防止斷開熱插拔MOSFET。輸入電源在恢復的同時，給已耗盡的負載電容充電，并即時給下游負載供電，因為熱插拔MOSFET仍然處于接通狀態(tài)。

圖9：用LTC4228實現(xiàn)為兩個μTCA插槽提供12V電源的μTCA應用
BULK SUPPLY BYPASS CAPACITOR：降壓模式電源旁路電容器
PLUG-IN CARD 1：插入式板卡 1
BACKPLANE：背板

結論

LTC4225、LTC4227和LTC4228通過控制外部N溝道MOSFET，為兩個電源軌實現(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。這些器件具有嚴格的5%電路斷路器門限準確度和快速響應電流限制，可保護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，因此在面臨此類事件時，可保持輸出電壓不變。