一种带电流监控功能的热插拔保护装置的制作方法

1.本发明涉及热插拔保护技术领域，尤其涉及一种带电流监控功能的热插拔保护装置。


背景技术：

2.热插拔包括电源热插拔和信号热插拔两方面，要实现电源热插拔，就是要将电源母线上的瞬态浪涌电流控制在比较低的水平，信号热插拔的目的是将信号线与系统处理器进行适当“隔离”，并在模块断电之前终止一切通信，实现方法主要有两种:一种是ptc电阻(正温度系数热敏电阻)限流，ptc电阻依靠本身的电流发热改变阻抗,从而降低电流的幅度，另一种是mos管通断法。
3.综上，本发明提供一种带电流监控功能的热插拔保护装置，有效限制了板卡、外设从带电背板插拔出时产生的瞬态浪涌电流，解决了因热插拔导致烧坏器件、背板电源电压瞬时跌落等问题，为板卡、外设的热插拔应用提供了有效的控制和保护方案，允许用户在不影响系统或者暂停主系统运作的同时完成升级、更改、添加功能模块。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中所提到的技术问题，而提出的一种带电流监控功能的热插拔保护装置。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种带电流监控功能的热插拔保护装置，包括：
7.使能输入引脚en和负载使能输入引脚loaden，二者一同使用作为开启/关断装置的主功率器件，在负载使能输入引脚loaden消隐时间过后，负载使能输入引脚loaden用于关断功率开关；
8.loaden消隐时间设置引脚entm，连接外部电容来设置负载使能输入引脚loaden消隐时间；
9.输入引脚vin，用于主功率器件的输入电源；
10.输出引脚vout，输入引脚vin和输出引脚vout之间连接有肖特基二极管，用来吸收负电压尖峰；
11.接地引脚gnd；
12.输出电流监控引脚imon，提供与流经功率设备电流成正比的电压值；
13.故障条引脚fltb，在过流或过温关断时，故障条引脚fltb作为开放漏级，将输出驱动至接地，通过电阻将故障条引脚fltb上拉至外部电源。
14.作为上述技术方案的进一步描述：
15.还包括vcc子调节器和引脚avin，所述引脚avin作为vcc子调节器的内部电源，所述vcc子调节器用于降低输入电压，产生偏置电源，为低压电路供电。
16.作为上述技术方案的进一步描述：
17.还包括计时器设置引脚timer，由外部电容设置热插拔插入时间延迟和故障暂停时间。
18.作为上述技术方案的进一步描述：
19.还包括限流设置引脚iset，在限流设置引脚iset和接地引脚gnd之间连接电阻，用来设置过流限值。
20.作为上述技术方案的进一步描述：
21.还包括软启动引脚ss，由连接到软启动引脚ss处的外部电容来设置输出电压的软启动时间，由内部电路控制启动时的输出电压转换速率，浮空软启动引脚ss将软启动时间设置到最小值。
22.作为上述技术方案的进一步描述：
23.还包括电源输出正常指示引脚pg，pg为一个开放漏级输出，通过电阻将电源输出正常指示引脚pg上拉至外部电源，电源输出正常指示引脚pg高电平表示电源正常。
24.作为上述技术方案的进一步描述：
25.还包括过压使能输入引脚ov，上拉过压使能输入引脚ov至高电平，关断内部mosfet，连接过压使能输入引脚ov至外部电阻分压器来设置过压禁用阈值。
26.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
27.1、本发明中，首先，本装置用于保护输出端的电路不受输入端瞬态的影响，以及保护输入不受短路和输出瞬态的影响，其次，启动期间，通过在输出端限制转换速率来限制浪涌电流，转换速率由ss引脚中的外部电容控制，其中，输出端的最大负载电流限通过采样fet拓扑控制，电流限的大小由iset与接地之间的低功率电阻控制，其中，由内部充电泵驱动功率器件的栅极，允许具有极低导通电阻(3mω)的功率fet导通，其中，本装置还具有imo选项，生成与功率器件电流成正比的电压，电流通过imon至接地件的电阻设置，最后，本装置全方位的保护特性包括限流保护、过温关断保护、受损mosfet检测、过压保护(ovp)和欠压保护(uvp)。
28.2、本发明中，本装置设计用于在将电路卡插入带电背板电源时，限制负载的浪涌电流，从而限制背板的电压降和负载的dv/dt，本装置集成了输入电压、输出电压、输出电流以及装置温度的监控功能，无需实用外部电路采样功率电阻、功率mosfet和温度采样器件。
附图说明
29.图1示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的功能框图；
30.图2示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的过流保护示意图；
31.图3示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的vin线性瞬态响应图；
32.图4示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的启动时序示意图；
33.图5示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的en/loaden时序图；
34.图6示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的loaden消隐时间示意图；
35.图7示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的用于iset的r-c滤波电路示意图；
36.图8示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置在电流限≥7a时的电流限和r
set
的关系图；
37.图9示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置在电流限＜7a时的电流限和r
set
的关系图；
38.图10示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的pcb推荐布局图；
39.图11示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的参考封装的顶视图；
40.图12示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的典型应用电路图；
41.图13示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置在电流限≥7a时的典型应用电路图；
42.图14示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置在电流限＜7a时的典型应用电路图；
43.图15示出了根据本发明实施例提供的一种带电流监控功能的热插拔保护装置的未使用loaden的典型应用电路图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
45.实施例一
46.请参阅图1-15，本装置本发明提供一种技术方案：一种带电流监控功能的热插拔保护装置，首先，用于保护输出端的电路不受输入端瞬态的影响，以及保护输入不受短路和输出瞬态的影响，其次，启动期间，通过在输出端限制转换速率来限制浪涌电流，转换速率由ss引脚中的外部电容控制，其中，输出端的最大负载电流限通过采样fet拓扑控制，电流限的大小由iset与接地之间的低功率电阻控制，其中，由内部充电泵驱动功率器件的栅极，允许具有极低导通电阻(3mω)的功率fet导通，其中，本装置还具有imo选项，生成与功率器件电流成正比的电压，电流通过imon至接地件的电阻设置，最后，本装置全方位的保护特性包括限流保护、过温关断保护、受损mosfet检测、过压保护(ovp)和欠压保护(uvp)；
47.本装置设计用于在将电路卡插入带电背板电源时，限制负载的浪涌电流，从而限制背板的电压降和负载的dv/dt，本装置集成了输入电压、输出电压、输出电流以及装置温度的监控功能，无需实用外部电路采样功率电阻、功率mosfet和温度采样器件；
48.本装置提供了恒定的电流限，可通过外部电阻进行编辑，一旦设备达到自身电流
限阈值，内部电路就会通过调节栅极电压将功率fet电流保持在恒定大小，为了限制电流，栅极-源级的电压必须保持在4v至1v左右，典型响应时间大约为20μs，在响应时间内，输出电流可能存在一个很小的过冲；
49.当达到电流限后，故障计时器便开始计时，在故障暂停时间结束之前，如果输出电流降至电流限阈值以下，则装置恢复至正常工作，否则，如果限流时间超过故障暂停时间，则功率fet被锁定；
50.当装置达到电流限或过温阈值，fltb将被驱动至低电平，此时大约有8μs的延迟才能指示故障，正常工作所需的电流极限是外部电流极限电阻的函数；
51.如图2所示，如果负载电流由于短路而迅速增加，其电流值可能在控制环路能够响应之前就会超过电流限阈值，如果电流达到36a的二次电流限制电平，快速关断电路会通过一个100ma下拉栅极放电电流来关断功率mosfet，这有助于限制流经开关的峰值电流，防止降压输出下降太多，短路总响应时间大约为200ns；
52.见图2和图3所示，当触发短路保护时，装置重启确定过载情况是否存在，如果是由输入线性瞬态导致的短路，则装置可以正常工作，如果发生了真实的短路，则装置完全锁定，一旦达到36a的过流限，则fltb切换至低电平，并保持低电平直至短路消除；
53.本装置的电流限值应高于正常的最大负载电流值，以允许电流采样公差存在，电流限可使用公式来设置；
54.如图7所示，当设置的电流限低于7a时，需要在iset电阻处并联一个r-c电路，通常，选择r＝20kω，c＝560pf；
55.如图8所示，显示了当所需电流限大于7a时，rset电阻值与所需电流的快速图形视图，下表1提供了评估板的测试结果：
56.表1电流限对比电流限电阻
57.电流限阻值(kω)6.816.234.2电流限(a)1984.06
58.如图9所示，显示了rset电阻对于7a电流及以下电流限的图形视图；
59.使能输入引脚en和负载使能输入引脚loaden，二者一同使用作为开启/关断装置的主功率器件，在负载使能输入引脚loaden消隐时间过后，负载使能输入引脚loaden用于关断功率开关，但不能再次开启；
60.loaden消隐时间设置引脚entm，连接外部电容来设置负载使能输入引脚loaden消隐时间；
61.在loaden消隐时间，en＝1就足以打开开关，在loaden消隐时间过后，必须en＝1和loaden＝1才能打开开关，en＝0关闭开关，一旦装置被锁定，需重启en和vin才能重启装置；
62.en/loaden的消隐时间如以下表2所示：
63.表2 en/loaden消隐时间
[0064][0065]
如图5所示，en由一个2μa的内部上拉电源拉高至高电平，一旦装置启动，插入延时计时器也会开启，当插入延迟时间结束，内部8μa的电流源充电至功率fet栅极，充电大约1ms后v
gs
达到阈值，然后输出电压遵循转换速率控制ss上升；
[0066]
如图6所示，假设en为高电平，loaden具有一个可编辑的消隐时间，loaden可以被消隐，在启动过程中，所有的故障功能都是有效的，所以如果检测到故障，电源开关就会关闭，然而，如果消隐期间loaden为低电平，则无法关闭开关，消隐时间结束后loaden恢复正常；
[0067]
可以通过接在entm处的电容设置消隐时间，消隐时间电容根据公式计算得出，其中，t
ldnb
为loaden消隐时间，c
entm
为entm上的loaden消隐时间电容，比如，1μf的电容可以得到1.24s的软启动时间，如果没有loaden，则需将entm连接至gnd；
[0068]
输入引脚vin，用于主功率器件的输入电源；
[0069]
输出引脚vout，输入引脚vin和输出引脚vout之间连接有肖特基二极管，用来吸收负电压尖峰；
[0070]
接地引脚gnd；
[0071]
输出电流监控引脚imon，提供与流经功率设备电流成正比的电压值，电流检测放大器的增益为10μa/a，这意味着imon为每个主fet导通的放大器提供10μa的电流，当mosfet电流范围为0a至20a时，将10kω电阻接地会产生0v至2v的电压，imon可兼容0v至3v的电压，在应用电路中，需要在r
mon
处并联一个10nf以上的电容；
[0072]
本装置可以监控mosfet的电流，连接一个电阻r
mon
至接地，用来设置输出增益，如公式其中，i
power_fet
是指从功率mosfet流出的电流，在imon和gnd之间
放置一个10kω的电阻，以实现100mv/a，在imon和gnd之间接一个大于10nf的电容来平滑指示器电压；
[0073]
故障条引脚fltb，用于显示发生的故障，在过流或过温关断时，故障条引脚fltb作为开放漏级，将输出驱动至接地，通过一个10-100kω的电阻将故障条引脚fltb上拉至外部电源；
[0074]
当装置温度达到电流限或装置温度高于过温关断阈值，右或mosfet在上拉前短路时，故障输出被驱动至低电平，这里大约有8μs的延迟，如果装置发生短路并达到36a的二次电流限，则fltb立即切换至低电平；
[0075]
当装置恢复正常工作后，fltb恢复高电平，这意味着输出电压高于pg上升阈值设置的电压，并且功率fet完全供电(v
gs
＞3v)；
[0076]
pg和fltb引脚需要外接一个外部电源，即时vin＝0且en禁用时，pg的开放漏级输出可以通过外部上拉电压工作，为pg和fltb使用一个10-100kω的上拉电阻；
[0077]
本装置在上电期间通过将启动期间超过vin-0.8v的输出电压视为mosfet的短路在检测主fet，fltb变为低电平表示故障状态，电源开关保持关闭装置，一旦vout≤vin-0.8v，装置则会正常启动；。
[0078]
具体的，本装置还包括vcc子调节器和引脚avin，引脚avin作为vcc子调节器的内部电源，vcc子调节器用于降低输入电压，产生4v偏置电源，为低压电路供电，当vin超过其uvlo阈值且en为高电平时，稳压器使能；
[0079]
在vin与avin之间连接一个49.9ω大小的电阻，并在gnd处连接一个2.2μf的旁路电容，以确保当vout至gnd之间短路并发生vin下降时仍能正常工作，vin具有uvlo保护，但avin没有uvlo保护功能，不得单独使用avin关断装置，avin供电电流通常为500μa。
[0080]
具体的，本装置还包括计时器设置引脚timer，由外部电容设置热插拔插入时间延迟和故障暂停时间；
[0081]
当电流达到电流限阈值，则由一个215μa故障计时电流源充电至timer的外部电容(c)，在timer达到1.24v之前，如果电流限保护状态停止，则装置恢复至正常工作模式并且在电流限保护消除后立即释放timer，如果在timer达到1.24v之后，仍显示电流限为保护状态，则关断功率fet，可通过公式来确定c
t
的电容值；
[0082]
其中，c
t
为故障计时器电容(nf)，t
fault
为故障计时时间(ms)，比如100nf电容会产出0.58ms的故障计时，这个故障计时电容也决定了启动时的插入延迟计时；
[0083]
如图4所示，对于热插拔应用来说，本装置的输入会在热插拔时晶粒电压尖峰/瞬态，这是由输入电路中的寄生电感和输入电容引起的，为了稳定输入电压，需要在主fet开启前采用一个插入延迟，当输入电压达到uvlo阈值时，timer会通过一个43μa恒流源向外部电容(c
t
)充电，当timer电压达到1.24v时，插入延迟完成，可通过公式来确定c
t
的电容值，其中，c
t
为插入延迟计时器电容(nf)，t
delay
为插入延迟计时时间(ms)，比如，100nf的电容会产出2.9ms的插入延迟，此插入延迟计时器还能决定故障计时器；
[0084]
timer达到1.24v之后，8μa电流源上拉功率fet栅极电压，同时，timer电压放电直至为零，一旦栅极电压达到其阈值(v
gsth
)，输出电压开始上升，上升时间由软启动电容决
定。
[0085]
具体的，本装置还包括限流设置引脚iset，在限流设置引脚iset和接地引脚gnd之间连接电阻，用来设置过流限值。
[0086]
具体的，本装置还包括软启动引脚ss，由连接到软启动引脚ss处的外部电容来设置输出电压的软启动时间，由内部电路控制启动时的输出电压转换速率，浮空软启动引脚ss将软启动时间设置到最小值；
[0087]
当插入延迟时间结束后，与输入电压呈正比的恒流源充电至ss，使其电压升高，输出电压在同样的转换速率下降至ss电压，ss的电容值可以根据公式：计算得出，其中，t
ss
为软启动时间，r
ss
为1.1mω，比如，47nf的电容得出8.6ms的软启动时间；
[0088]
如果负载电容非常大，那么用于维持预设软启动时间的电流将会超过电流限，这种情况下，上升时间由负载电容和电流限控制；
[0089]
浮空ss生成快速上升电压，由一个8μa的电流源上拉功率fet的栅极，栅极充电电流控制输出电压的上升时间，近似软启动时间(1ms)为软启动最小时间。
[0090]
具体的，本装置还包括电源输出正常指示引脚pg，用来指示输出电压是否处于相对输入电压的正常范围内，pg还作为fet的开放漏级输出，通过一个10-100kω的电阻将电源输出正常指示引脚pg上拉至外部电源，电源输出正常指示引脚pg高电平表示电源正常，当启动时，电源正常输出驱动至低电平，指示系统保持关闭，并且能最大限度地减少输出引脚vout上的负载，以降低浪涌电流和启动时的功耗；
[0091]
当装置符合vout＞90％*vin、v
gs
＞3v、vout＞vin-0.8v条件时，电源正常信号上拉至高电平，系统可以全功率运行，当vout＜75％*vin，pg切换至低电平，当en低于其阈值时，pg输出下拉至低电平，在没有输入的情况下，pg在上拉电源存在的情况下保持在逻辑低水平。
[0092]
具体的，本装置还包括过压使能输入引脚ov，上拉过压使能输入引脚ov至高电平，关断内部mosfet，连接过压使能输入引脚ov至外部电阻分压器来设置过压禁用阈值；
[0093]
本装置还具备过压锁定保护(ovlo)和欠压锁定保护(uvlo)，首先，通过ov引脚监视电压电源，以确定过压条件，从vin到ov的外部电阻分压器可灵活设置过压锁定阈值，当ov引脚上的电压超过1.24v时，内部mosfet关闭，输出禁用，当ov引脚上的电压降至1.24v-v
ov_hys
以下时，内部mosfet再次导通，输出通过软启动斜坡上升，其次，如果电源输入低于欠压锁定(uvlo)阈值，则禁用输出，且pg变为低电平，当电源超过uvlo阈值但未超过ov阈值时，将启用输出。
[0094]
如图10所示，高效的pcb布局对于ic工作的稳定性至关重要，为获得最佳效果，按照以下条件进行布局：
[0095]
(1)将电路板输入端的高电流路径放置到输出端，电流返回路与最小化环路并联，以减小环路电感；
[0096]
(2)在vin上放置一个瞬态电压抑制二极管(tvs)；
[0097]
(3)将tvs尽可能靠近vin放置，tvs用于吸收系统输入线尖峰的输入电压尖峰，以及在本装置的负载电流急剧下降时，vin处产生电压尖峰；
[0098]
(4)将本装置的gnd连接至一个小的接地岛，用来参考所有的信号接地，该信号gnd
岛可以通过单点接地方法连接到系统的主pwr gnd；
[0099]
(5)确保vin上的输入去耦电容到vin和gnd的走线最短；
[0100]
(6)将肖特基二极管靠近vout和gnd，以在功率fet关闭时，吸收负电压尖峰；
[0101]
(7)将输出电容放置在尽可能靠近本装置的位置，从而减少pcb寄生电感的影响；
[0102]
(8)保持in和gnd焊盘与大铜板连接；
[0103]
(9)在导热垫上添加过孔，以获得更好的散热性能；
[0104]
(10)确保连接所有vin和vout引脚，以实现每个引脚的电流分布相等；
[0105]
具体的，本装置的绝对最大额定值、推荐工作条件和热阻如以下表3-5所示：
[0106]
表3
[0107] 绝对最大额定值vin，avin-0.3v至24vvout-0.3v至20v其他引脚-0.3v至6.5v连续耗散功率(ta＝ 25℃)2.7w结温 150℃存储温度-65℃至 155℃
[0108]
表4
[0109] 推荐工作条件输入电压工作范围4.5v至16v工作结温t
j-40℃至 125℃
[0110]
表5
[0111]
热阻(℃/w)θ
ja
θ
jb 4610
[0112]
具体的，本装置的电气特性测试条件为vin＝12v，r
set
＝10.2k，c
out
＝470μf，tj＝25℃，其电气特性参数如以下表6所示：
[0113]
表6
[0114]
[0115]
[0116]
[0117][0118][0119]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其
发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。