概述
　　典型的電信系統(tǒng)必須能夠滿負(fù)荷工作在-36V至-72V兩個(gè)電壓源，另外還必須提供雷電感應(yīng)、高壓脈沖以及輸入電壓在幾毫秒內(nèi)跌落到0V情況下的保護(hù)措施?？刹灏尉€卡通常包含一個(gè)從高壓到低壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器帶有熱插拔保護(hù)電路。當(dāng)線卡帶電插入一個(gè)背板時(shí)，該電路可以限制浪涌電流，使其略高于滿負(fù)荷電流。板上濾波電容充滿電后，熱插拔電路還必須提供一個(gè)電源就緒信號(/PGOOD)，以開啟后續(xù)的DC-DC轉(zhuǎn)換器。本文詳細(xì)介紹了對熱插拔電路的要求。大部分要求與AdvancedTCA® (ATCA®)一級熱插拔電路相同。

　　典型電信系統(tǒng)要求

　　輸入電壓范圍：-43V至-72V
　　輸入采用雙二極管“或”邏輯
　　-32V至-36V關(guān)閉(二極管之前的電源)
　　80W (最大)輸入功率，CLOAD = 680µF
　　耐壓-150V，1ms過壓脈沖¹
　　掉電支持，0V，從-43V輸入電壓開始16ms的瞬時(shí)掉電；在此期間/PGOOD必須保持低電平
　　43V啟動時(shí)，浪涌電流 ≤ 1.5倍滿負(fù)荷電流
　　參考設(shè)計(jì)特性和考慮

　　欠壓閉鎖(UVLO)上升門限可以設(shè)置到~43V，過壓閉鎖(OVLO)上升門限可以設(shè)置到 ≥ 72V。

　　安裝在輸入端的兩個(gè)100V肖特基二極管實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立電源的“或”邏輯。

　　UVLO下降門限可以設(shè)置到~32V，必須滿足電信系統(tǒng)規(guī)范第6項(xiàng)，電壓降低UVLO下降門限時(shí)，/PGOOD保持有效，系統(tǒng)保持正常工作。

　　VIN = 43V時(shí)PIN = 80W，輸入電流為1.86A。

　　對于U1、C3、C4和Q2，70V TVS二極管能夠?qū)⑤斎腚妷恒Q位在一個(gè)安全電平。這個(gè)二極管可以直接跨接在輸入端，或MAX5921熱插拔控制器的VDD–VEE引腳，并且串聯(lián)一個(gè)5Ω電阻與VIN隔離。

　　從43V到32V跌落的16ms時(shí)間內(nèi)，儲能電容(C3)存儲足夠的能量支持80W負(fù)載的供電。該電容通過一個(gè)電阻充電，以限制充電電流，使其保持在電信系統(tǒng)規(guī)范第7項(xiàng)中規(guī)定的輸入浪涌電流的一小部分。放電期間，肖特基二極管旁路這個(gè)充電限流電阻。

　　斷路器最低觸發(fā)門限可選，容許在43V時(shí)設(shè)置為2.8A，150%啟動浪涌電流，電壓低至32V時(shí)，保持2.5A滿負(fù)荷工作。

　　電信熱插拔參考設(shè)計(jì)

　　電信熱插拔參考設(shè)計(jì)采用MAX5921熱插拔控制器，如圖1所示。

圖1. MAX5921電信參考設(shè)計(jì)原理圖

　　啟動特性

　　ULVO上升電壓門限由分壓電阻² (R1+R2):R3設(shè)置為：

　　雖然輸入U(xiǎn)VLO上升開啟門限由分壓比(R1+R2):R3設(shè)定，輸入U(xiǎn)VLO下降關(guān)閉門限由分壓比R2:R3設(shè)定。因?yàn)閱悠陂g，一旦產(chǎn)生輸出電壓，Q2會短接至R1。

　　輸入電壓緩慢上升到UVLO升壓門限時(shí)，會產(chǎn)生圖2所示波形。這種情況發(fā)生在：

VIN - VS1 = VIN - VEE + VF(D1) ≈ 42.4V

　　柵極電壓升至中間值，控制輸出電壓的擺率為2.2V/ms，以此限制輸出電容(C4)的充電電流。輸入電流(IC4 + IC3)峰值為1.75A。當(dāng)VOUT達(dá)到它的最終值，輸入電流降至充電電流(IC3)。

圖2. VIN上升時(shí)的導(dǎo)通特性

　　通過選擇C2可以控制啟動時(shí)的輸入浪涌電流。

　　由此，浪涌電流限制在 ≤ 1.5倍的啟動電流(43V輸入時(shí)，1.86A)。較小的C2會增大浪涌電流。比如，如果C2 = 12nF，IINRUSH = 2.55A，接近所要求的2.8A。圖2所示為輸入浪涌電流。[!--empirenews.page--]

　　圖3與圖2類似，只是圖中/PGOOD在VGATE達(dá)到最終值7ms后、VOUT達(dá)到其最終值15ms后輸出低電平。

圖3. /PGOOD的開啟特性

　　熱插拔過程將要結(jié)束時(shí)，Q2短接至R1、UVLO下降門限被設(shè)定在大約32V，滿足電信系統(tǒng)規(guī)范的第3、第6項(xiàng)要求。

　　圖4所示為啟動時(shí)C3的充電過程，因?yàn)镃3的初始充電電流在VIN = 50V時(shí)只有~100mA峰值，所以充電時(shí)間與輸出負(fù)載無關(guān)，充電時(shí)間大約為10s。在啟動10s后或出現(xiàn)一次欠壓后，才能提供電壓跌落支持。

圖4. 導(dǎo)通時(shí)C3儲能電容充電

　　掉電保護(hù)

　　電壓跌落期間的保持時(shí)間按照以下步驟計(jì)算：

P = 80W，C3 = 5400µF

　　掉電可能發(fā)生在最差工作條件下：VIN = 43V，此時(shí)：

VOUT = VIN - VF(D1) = 43V - 0.55V = 42.45V[!--empirenews.page--]

　　一旦輸入電壓開始下降，VOUT將下降一個(gè)D4二極管的壓降，或額外的0.6V，下降至41.85V。

　　下降期間，由C3提供負(fù)載供電，并且/PGOOD在達(dá)到以下條件之前保持有效：

UVLOMAX = 33.6V = [VCAP - VF(D4) + VF(Q1)]或VCAP = 34.8V

　　因此，電容可以有10%的誤差，計(jì)算所得的保持時(shí)間為16.4ms。

　　輸入電壓下降時(shí)，如果D1或D2沒有導(dǎo)通，C3通過體二極管Q1為MAX5921的輸入供電。因此，在欠壓期間，MAX5921正常工作并提供有效的/PGOOD。

　　在長達(dá)16ms的輸入電壓跌落期間(從VIN = 43V跌落到VOUT = 32V)，通過C3可以維持輸出功率為80W。上電時(shí)，C3通過電阻R11充電。C4在啟動時(shí)充電，為了防止C3充電電流超過輸入浪涌電流，選擇C3 x R11的時(shí)間常數(shù)為4860ms。因此，在上電10s后才能提供掉電保護(hù)支持。

　　圖5所示為掉電保護(hù)波形圖，圖中初始功率約為

　　4.185A × 41.85V ≈ 175W (注意：一旦斷開輸入電源，輸出電壓將由于D4的正向?qū)ǘ陆?。

圖5. 電壓跌落時(shí)的波形

　　從43V開始下降，16ms后輸出電壓下降至31.5V，功率約為3.15A × 3.15V ≈ 99W。由此可以看出：C3存儲能量足以支持掉電保護(hù)的需求。

　　過壓鎖定

　　OVLO上升電壓門限由分壓比R4:R5設(shè)定：

　　斷路器觸發(fā)門限

　　選擇適當(dāng)?shù)臄嗦菲饔|發(fā)門限以保證在VIN達(dá)到指定的最小值以前或初始上電時(shí)不會觸發(fā)斷路。因此，斷路觸發(fā)門限需要根據(jù)較大的80W/32V = 2.5A或(1.5 × 80W)/43V = 2.8A進(jìn)行計(jì)算。由于在16ms瞬時(shí)掉電期間由C3為負(fù)載供電，在此期間沒有電流通過檢流電阻。電阻R7按照下式設(shè)置觸發(fā)門限：

　　脈沖過壓保護(hù)

　　MAX5921需要提供100V以上的輸入瞬變保護(hù)，可以參考以下兩個(gè)電路：

　　一個(gè)電路中，在+VIN和MAX5921的VDD引腳之間串聯(lián)了一個(gè)5.6Ω電阻(R8)，VDD和VEE引腳之間連接了一個(gè)TVS二極管(D3)。這種情況下，只有MAX5921得到保護(hù)，C3、C4和Q2的額定值應(yīng)該> 150V瞬變。

　　另一個(gè)電路中，在邏輯“或”二極管后面直接將TVS二極管連接VIN各端，為整個(gè)電路提供，選用SMBT70A (D3)限制瞬態(tài)脈沖，使其 ≤ 100V，并在75V時(shí)可以通過 < 1mA的電流。電路由D3提供輸入電壓保護(hù)，在0.2焦耳電容放電產(chǎn)生的脈沖(見注釋1)沖擊下提供有效保護(hù)。

　　僅保護(hù)MAX5921

　　圖6和圖7中，D3提供器件的輸入瞬態(tài)保護(hù)。安裝R8，只有MAX5921受保護(hù)，出現(xiàn)0.2焦耳的輸入脈沖(見注釋1)。

圖6. 脈沖過壓保護(hù)特性，僅保護(hù)MAX5921，最初的9µs.[!--empirenews.page--]

圖7. 脈沖過壓保護(hù)特性，僅保護(hù)MAX5921，最初的9ms

　　VDD - VSS限定在84.4V，輸入電流出現(xiàn)一個(gè)寬度為4µs、峰值為46A的三角尖峰。

　　VIN上升3ms，峰值達(dá)到165V或比最初的50V高出115V。VOUT - VEE也隨著VIN上升至高于0V初始值的115V。MAX5921的輸入瞬變和OVLO電路保護(hù)機(jī)制引起短暫的柵極關(guān)閉，輸入脈沖在輸出端被抑制。柵極關(guān)閉期間，C3為輸出供電。

　　整個(gè)電路的保護(hù)

　　圖8和圖9所示波形是短接R8時(shí)的測試結(jié)果，能夠?yàn)镸AX5921、Q1以及Q1的后續(xù)電路提供保護(hù)。

圖8. 脈沖過壓保護(hù)特性；完整的電路保護(hù)；最初的10ms

圖9. 脈沖過壓保護(hù)特性；完整的電路保護(hù)；最初的10s

　　VIN需要大約6µs的時(shí)間從初值上升至98V或50V，并且在30µs內(nèi)下降到~65V，然后經(jīng)過6ms下降到初始值。輸入電壓峰值伴隨一個(gè)峰值為66A、寬度為6µs的三角形電流尖峰。這個(gè)電流完全流過D3。

　　柵極電壓在500ns內(nèi)下降至接近0V，在~12ms內(nèi)恢復(fù)至正常值。關(guān)閉Q1抑制輸入瞬變。

　　VOUT - VEE會在最初的100ns內(nèi)上升至~60V，然后會快速下降到一個(gè)較寬的50V脈沖，持續(xù)6µs，然后在6ms內(nèi)返回到正常電平。除了柵極關(guān)閉的最初400ns，輸入脈沖在輸出端被完全抑制掉。在VGATE返回到其正常值，瞬變恢復(fù)之前，由C3為負(fù)載供電。

　　總結(jié)

　　本文提供的電信熱插拔參考設(shè)計(jì)能夠滿足典型電信系統(tǒng)的規(guī)范要求，支持 ≥ 16ms的有效保持時(shí)間。過壓脈沖保護(hù)可以僅提供給MAX5921或也可以為整個(gè)電路提供過壓脈沖保護(hù)。如果用戶只要求用D3保護(hù)MAX5921，可以切斷R8的短路線。切斷R8兩端的短路線后，C3和C4的額定值為160V。Diodes公司的TVS二極管SMBT70A是瞬態(tài)過壓保護(hù)的關(guān)鍵—其它TVS二極管不能勝任本設(shè)計(jì)的要求。