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(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)有多種方式。例如，μTCA網(wǎng)絡(luò)及存儲(chǔ)服務(wù)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(wèn)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(zhuān)門(mén)的銅箔區(qū)散出，或者通過(guò)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(gè)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(shí)，最大限度地減小了從電源到負(fù)載的壓降，這個(gè)產(chǎn)品系列包括 LTC4225、LTC4227和LTC4228。當(dāng)輸入電源電壓降至低于輸出共模電源電壓時(shí)，關(guān)斷適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/MOSFET">MOSFET，從而使功能和性能上與理想二極管匹配。

如圖1所示，通過(guò)增加一個(gè)電流檢測(cè)電阻器，并配置兩個(gè)具備單獨(dú)柵極控制的背對(duì)背MOSFET，LTC4225憑借浪涌電流限制和過(guò)流保護(hù)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(huì)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(cè)電阻器和熱插拔(Hot Swap) MOSFET，以節(jié)省一個(gè) MOSFET。通過(guò)在理想二極管和熱插拔MOSFET之間配置檢測(cè)電阻器，LTC4228比LTC4225有了改進(jìn)，LTC4228能更快地從輸入電壓欠壓中恢復(fù)，以保持輸出電壓不變。

圖1：采用檢測(cè)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(jiàn)，略去了一些細(xì)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(dòng)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(gè)內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)DGATE引腳。當(dāng)這個(gè)放大器檢測(cè)到大的正向壓降(圖2) 時(shí)，就快速拉高DGATE引腳，以接通MOSFET，實(shí)現(xiàn)理想二極管控制。

圖2：當(dāng)IN電源接通時(shí)，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(shí)，內(nèi)部充電泵給這個(gè)電容器充電。DGATE引腳提供來(lái)自CPO引腳的電流，并將電流吸收到IN和GND引腳中。柵極驅(qū)動(dòng)放大器控制DGATE引腳，以跟隨檢測(cè)電阻器和兩個(gè)外部N溝道MOSFET上的正向壓降，直至25mV。

如果負(fù)載電流引起超過(guò)25mV的壓降，那么柵極電壓就上升，以加強(qiáng)用于實(shí)現(xiàn)理想二極管控制的MOSFET。在MOSFET導(dǎo)通時(shí)，如果輸入電源短路，那么會(huì)有很大的反向電流開(kāi)始從負(fù)載流向輸入。故障一出現(xiàn)，柵極驅(qū)動(dòng)放大器就會(huì)檢測(cè)到故障情況，并拉低DGATE， 以斷開(kāi)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(dòng)了一個(gè)100ms的防反跳定時(shí)周期。在這個(gè)定時(shí)周期結(jié)束之后，來(lái)自充電泵的10μA電流使HGATE引腳斜坡上升。當(dāng)熱插拔MOSFET接通時(shí)，浪涌電流被限制到由外部檢測(cè)電阻器設(shè)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(cè)放大器上就會(huì)出現(xiàn)65mV的電壓。如果檢測(cè)電壓高于50mV的時(shí)間超過(guò)了在TMR引腳端配置的故障過(guò)濾器延遲時(shí)間，那么電路斷路器就斷開(kāi)，并拉低HGATE。如果需要，可以在HGATE和GND之間增加一個(gè)電容器，以進(jìn)一步降低浪涌電流。當(dāng)MOSFET柵極的過(guò)驅(qū)動(dòng) (HGATE至OUT的電壓) 超過(guò)4.2V時(shí)，拉低/PWRGD引腳 (圖 3)。

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

理想二極管和熱插拔控制相結(jié)合

在一個(gè)采用冗余電源的典型μTCA應(yīng)用中 (圖4和9)，在背板上對(duì)輸出進(jìn)行二極管“或”，以不用斷開(kāi)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(lèi)應(yīng)用，這些器件在兩個(gè)電源之間提供平滑的電源切換，還提供過(guò)流保護(hù)。

圖4：在μTCA應(yīng)用中，LTC4225為兩個(gè)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(yīng)，以斷開(kāi)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(fù)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(huì)影響電源切換。當(dāng)各自的ON引腳被拉低，或/EN引腳被拉高時(shí)，控制器斷開(kāi)熱插拔MOSFET。當(dāng)在輸出端檢測(cè)到過(guò)流故障時(shí)，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(shè)定的故障過(guò)濾器延遲超時(shí)為止。熱插拔MOSFET斷開(kāi)，/FAULT引腳鎖定在低電平，以指示出現(xiàn)了故障。通過(guò)將ON引腳拉至低于0.6V，可以使電子電路斷路器復(fù)位。

電源優(yōu)先級(jí)

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(shí)擋住電壓較低的電源。這種簡(jiǎn)單的解決方案滿(mǎn)足了應(yīng)用的需求，在這應(yīng)用中，電源的優(yōu)先權(quán)不僅是電壓較高的電源就優(yōu)先的問(wèn)題。圖5顯示了一個(gè)備份電源系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，無(wú)論何時(shí)，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(dāng)主電源無(wú)法提供時(shí)才會(huì)使用。

只要INPUT1高于由ON1引腳端的R1-R2分壓器設(shè)定的4.3V UV門(mén)限，MH1就接通，從而將INPUT1連接到輸出。當(dāng)MH1接通時(shí)，/PWRGD1變低，這又將ON2拉低，并通過(guò)斷開(kāi)MH2來(lái)停用IN2通路。如果主電源無(wú)法提供，且INPUT1降至低于4.3V，那么ON1就斷開(kāi)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(gè)輸入到另一個(gè)輸入的反向饋送。

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

交換電源端和負(fù)載端的二極管和熱插拔FET

LTC4225允許采用背對(duì)背MOSFET的應(yīng)用將在電源端的MOSFET配置為理想二極管，在負(fù)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(gè)外部齊納二極管來(lái)箝位，以在MOSFET的柵源電壓額定值低于20V時(shí)防止MOSFET擊穿。無(wú)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(shí)現(xiàn)在電源端具備熱插拔MOSFET、在負(fù)載端具備理想二極管MOSFET的應(yīng)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(yīng)用，其中檢測(cè)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(cè)電阻器之后是單個(gè)熱插拔MOSFET。圖中，在故障超時(shí)之前，LTC4227以1x電流限制調(diào)節(jié)過(guò)載輸出，而不像LTC4225二極管“或”應(yīng)用那樣是以2x電流限制。因此，在過(guò)載情況下，功耗降低了。

圖7：用LTC4227