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(多图) 电信热插拔参考设计有效解决输入瞬间过压及掉电问题

Maxim?? 2009年02月17日 ?? 收藏0

  概述

  典型的电信系统必须能够满负荷工作在-36V至-72V两个电压源,另外还必须提供雷电感应、高压脉冲以及输入电压在几毫秒内跌落到0V情况下的保护措施。可插拔线卡通常包含一个从高压到低压的DC-DC转换器,该转换器带有热插拔保护电路。当线卡带电插入一个背板时,该电路可以限制浪涌电流,使其略高于满负荷电流。板上滤波电容充满电后,热插拔电路还必须提供一个电源就绪信号(/PGOOD),以开启后续的DC-DC转换器。本文详细介绍了对热插拔电路的要求。大部分要求与AdvancedTCA? (ATCA?)一级热插拔电路相同。

  典型电信系统要求

  •   输入电压范围:-43V至-72V
  •   输入采用双二极管“或”逻辑
  •   -32V至-36V关闭(二极管之前的电源)
  •   80W (最大)输入功率,CLOAD = 680?F
  •   耐压-150V,1ms过压脉冲?
  •   掉电支持,0V,从-43V输入电压开始16ms的瞬时掉电;在此期间/PGOOD必须保持低电平
  •   43V启动时,浪涌电流 ≤ 1.5倍满负荷电流

  参考设计特性和考虑

  欠压闭锁(UVLO)上升门限可以设置到~43V,过压闭锁(OVLO)上升门限可以设置到 ≥ 72V。

  安装在输入端的两个100V肖特基二极管实现两个独立电源的“或”逻辑。

  UVLO下降门限可以设置到~32V,必须满足电信系统规范第6项,电压降低UVLO下降门限时,/PGOOD保持有效,系统保持正常工作。

  VIN = 43V时PIN = 80W,输入电流为1.86A。

  对于U1、C3、C4和Q2,70V TVS二极管能够将输入电压钳位在一个安全电平。这个二极管可以直接跨接在输入端,或MAX5921热插拔控制器的VDD–VEE引脚,并且串联一个5Ω电阻与VIN隔离。

  从43V到32V跌落的16ms时间内,储能电容(C3)存储足够的能量支持80W负载的供电。该电容通过一个电阻充电,以限制充电电流,使其保持在电信系统规范第7项中规定的输入浪涌电流的一小部分。放电期间,肖特基二极管旁路这个充电限流电阻。

  断路器最低触发门限可选,容许在43V时设置为2.8A,150%启动浪涌电流,电压低至32V时,保持2.5A满负荷工作。

  电信热插拔参考设计

  电信热插拔参考设计采用MAX5921热插拔控制器,如图1所示。

MAX5921电信参考设计原理图

图1. MAX5921电信参考设计原理图

  启动特性

  ULVO上升电压门限由分压电阻? (R1+R2):R3设置为:

公式

  虽然输入UVLO上升开启门限由分压比(R1+R2):R3设定,输入UVLO下降关闭门限由分压比R2:R3设定。因为启动期间,一旦产生输出电压,Q2会短接至R1。

  输入电压缓慢上升到UVLO升压门限时,会产生图2所示波形。这种情况发生在:

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

  栅极电压升至中间值,控制输出电压的摆率为2.2V/ms,以此限制输出电容(C4)的充电电流。输入电流(IC4 + IC3)峰值为1.75A。当VOUT达到它的最终值,输入电流降至充电电流(IC3)。

VIN上升时的导通特性

图2. VIN上升时的导通特性

  通过选择C2可以控制启动时的输入浪涌电流。

公式

  由此,浪涌电流限制在 ≤ 1.5倍的启动电流(43V输入时,1.86A)。较小的C2会增大浪涌电流。比如,如果C2 = 12nF,IINRUSH = 2.55A,接近所要求的2.8A。图2所示为输入浪涌电流。

  图3与图2类似,只是图中/PGOOD在VGATE达到最终值7ms后、VOUT达到其最终值15ms后输出低电平。

/PGOOD的开启特性

图3. /PGOOD的开启特性

  热插拔过程将要结束时,Q2短接至R1、UVLO下降门限被设定在大约32V,满足电信系统规范的第3、第6项要求。

公式

  图4所示为启动时C3的充电过程,因为C3的初始充电电流在VIN = 50V时只有~100mA峰值,所以充电时间与输出负载无关,充电时间大约为10s。在启动10s后或出现一次欠压后,才能提供电压跌落支持。

导通时C3储能电容充电

图4. 导通时C3储能电容充电

  掉电保护

  电压跌落期间的保持时间按照以下步骤计算:

P = 80W,C3 = 5400?F

  掉电可能发生在最差工作条件下:VIN = 43V,此时:

VOUT = VIN - VF(D1) = 43V - 0.55V = 42.45V

  一旦输入电压开始下降,VOUT将下降一个D4二极管的压降,或额外的0.6V,下降至41.85V。

  下降期间,由C3提供负载供电,并且/PGOOD在达到以下条件之前保持有效:

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

公式

  因此,电容可以有10%的误差,计算所得的保持时间为16.4ms。


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