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設(shè)計(jì)了一種利用熱插拔保護(hù)控制芯片，實(shí)現(xiàn)直流升壓電路的輸出過(guò)流、短路保護(hù)。分析了直流升壓電路以及熱插拔保護(hù)電路的工作原理及實(shí)現(xiàn)方式，詳細(xì)介紹了電路及參數(shù)設(shè)計(jì)、選擇過(guò)程，以及實(shí)際工作開(kāi)關(guān)波形，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。實(shí)驗(yàn)證明，利用熱插拔保護(hù)控制芯片，有效地避免了常規(guī)直流升壓電路在輸出過(guò)流短路時(shí)的固有缺陷，提高了電源使用的可靠性。 熱插拔保護(hù)電路通常用于服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、以及其他形式的通信基礎(chǔ)設(shè)施等高可用性系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常需要在帶電狀態(tài)下替換發(fā)生故障的電路板或模塊，而系統(tǒng)照樣維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這個(gè)過(guò)程稱為熱插拔（Hot Swapping）。本文將闡述熱插拔控制器的另一種用法，利用熱插拔保護(hù)電路具有的過(guò)流和短路保護(hù)功能，解決開(kāi)關(guān)直流升壓電路的輸出端保護(hù)問(wèn)題。 1 開(kāi)關(guān)直流升壓電路的基本原理 開(kāi)關(guān)直流升壓電路（The Boost Converter或者Step-up Converter），是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路。輸出電壓高于輸入電壓，輸出電壓極性不變，基本電路圖如圖1所示。 圖1 The Boost Converter 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)由電感-開(kāi)關(guān)管形成回路，電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負(fù)右正，此電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管-負(fù)載形成回路，完成升壓功能。 輸出過(guò)流時(shí)，電路會(huì)采樣開(kāi)關(guān)管的峰值電流，減小占空比，導(dǎo)致輸出電壓下降。當(dāng)輸出電壓降到輸入電壓時(shí)，過(guò)流保護(hù)不再受控，保護(hù)失效。另外輸出過(guò)流點(diǎn)還會(huì)隨著輸入電壓升高而變大。當(dāng)輸出短路時(shí)，輸入電源會(huì)通過(guò)電感、升壓二極管形成短路回路，導(dǎo)致電源故障。BOOST電路還有一個(gè)缺陷是不方便控制關(guān)閉輸出，當(dāng)控制芯片關(guān)閉，開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，輸出仍然有電壓，不像BUCK電路，很方便的將輸出電壓降到0 V。 2 熱插拔控制器的基本原理 熱插拔（Hot-Plugging或Hot Swap）即帶電插拔，熱插拔功能就是允許用戶在不關(guān)閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的電源或板卡等部件，從而提高了系統(tǒng)對(duì)災(zāi)難的及時(shí)恢復(fù)能力、擴(kuò)展性和靈活性。如果沒(méi)有熱插拔控制器，負(fù)載端的模塊插拔時(shí)，會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生浪涌電流的沖擊，影響電壓的穩(wěn)定與電源的可靠性。這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)熱插拔控制器來(lái)解決，熱插拔控制器能合理控制浪涌電流，確保安全上電間隔。上電后，熱插拔控制器還能持續(xù)監(jiān)控電源電流，在正常工作過(guò)程中避免短路和過(guò)流。 3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與實(shí)例 3.1 電源要求 電源實(shí)例如圖2所示，其中的電源輸入9~18 V，額定輸出28 V/1.2 A，過(guò)流保護(hù)1.5 A。 圖2 電源實(shí)例 3.2 電路簡(jiǎn)介 這是一款用了TPS2491 熱插拔控制芯片的升壓電路，帶有輸出過(guò)流短路保護(hù)，當(dāng)遙控端CTL接地時(shí)，電源進(jìn)入待機(jī)模式，輸出為零。 熱插拔控制器包括用作電源控制主開(kāi)關(guān)的N 溝道MOSFET、測(cè)量電流的檢測(cè)電阻以及熱插拔控制器TPS2491 三個(gè)主要元件，如上圖2所示。熱插拔控制器用于實(shí)現(xiàn)控制MOSFET導(dǎo)通電流的環(huán)路，其中包含一個(gè)電流檢測(cè)比較器。電流檢測(cè)比較器用于監(jiān)控外部檢測(cè)電阻上的電壓降。當(dāng)流過(guò)檢測(cè)電阻上產(chǎn)生50 mV以上電壓的電流將導(dǎo)致比較器指示過(guò)流，關(guān)閉MOSFET.TPS2491具有軟啟動(dòng)功能，其中過(guò)流基準(zhǔn)電壓線性上升，而不是突然開(kāi)啟，這使得負(fù)載電流也以類似方式跟著變化。 TPS2491 內(nèi)部集成了比較器及參考電壓構(gòu)成的開(kāi)啟電路用于使能輸出。比較器的開(kāi)啟電壓為1.35 V，關(guān)閉電壓1.25 V，有0.1 V的滯差保證工作的穩(wěn)定。通過(guò)分壓電阻精確設(shè)定了使能控制器所必須達(dá)到的電源電壓。器件一旦使能，MOSFET 柵極就開(kāi)始充電，這種電路所使用的N 溝道MOSFET 的柵極電壓必須高于源極。為了在整個(gè)電源電壓（VCC）范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，熱插拔控制器集成了一個(gè)電荷泵，能夠?qū)ATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時(shí)，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來(lái)使能MOSFET，并需要下拉電流來(lái)禁用MOSFET.較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強(qiáng)的下拉電流則用于在短路情況下快速關(guān)閉MOSFET。 熱插拔控制器還有一個(gè)模塊為定時(shí)器，它限制過(guò)流情況下電流的調(diào)節(jié)時(shí)間。選用的MOSFET能在指定的最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標(biāo)出這個(gè)范圍，或稱作安全工作區(qū)（SOA）。 圖3 MOSFET安全工作區(qū) 定時(shí)器還決定控制器自動(dòng)重啟的時(shí)間，故障導(dǎo)致關(guān)閉MOSFET，經(jīng)過(guò)16 個(gè)振蕩周期后，芯片重新使能輸出。 3.3 設(shè)計(jì)過(guò)程 保護(hù)電路參數(shù)設(shè)定分幾步： （1）過(guò)流采樣電阻 Rs=0.05/(1.2×IMAX),取值33mΩ，過(guò)流動(dòng)作點(diǎn)為1.5A左右。 （2）MOSFET的選型：耐壓要大于輸入電壓和瞬態(tài)過(guò)沖，并放一定余量；選擇RDSON(MAX)。 RDSON(MAX)≤(TJ(MAX)－TA(MAX))/(RθJA－I2MAX) TJ(MAX)一般取125℃，熱阻RθJA取決于管子的封裝，散熱的方式。 （3）選擇MOSFET的PLIM MOSFET在啟動(dòng)或輸出短路時(shí)會(huì)有極大的功率消耗，限制PLIM可以保護(hù)管子防止溫度過(guò)高燒毀。通過(guò)3腳PROG電壓的調(diào)節(jié)，設(shè)定PLIM的大小： PLIM≤0.7×{TJ(MAX)2－[（I2MAX×RDSON×RθJA）+ TA(MAX)]}/RθJA TJ(MAX)2一般取150℃，RDSON為MOSFET最高工作溫度時(shí)的導(dǎo)通電阻。 VPROG= PLIM/(10×ILIM) VPROG= VREF×R10/(R9×R10) 式中VREF為4V。實(shí)際選用MOSFET為AOL1242。 （4）選擇CT 選擇合適的電容，保證輸出啟動(dòng)時(shí)能完成輸出電容的充電且不引起故障保護(hù)的動(dòng)作。 （5）選擇使能啟動(dòng)電壓 EN端啟動(dòng)電壓為1.35 V，關(guān)閉電壓為1.25 V.利用此引腳，可以做輸入欠壓保護(hù)；設(shè)計(jì)分壓電阻為240 kΩ和13 kΩ，開(kāi)啟電壓為26.3 V，在24.3 V時(shí)關(guān)閉。 （6）其他參數(shù) GATE驅(qū)動(dòng)電阻，為了抑制高頻振蕩，通常取10 Ω；PG 端上拉電阻，保證吸收電流小于2 mA，在本設(shè)計(jì)中不需要，懸空處理；Vcc端旁路電容，取0.1 μF. 電源使能端串聯(lián)一個(gè)二極管BAV70，低電平時(shí)可以關(guān)閉升壓電路和電源輸出。 4 測(cè)試結(jié)果和各測(cè)試點(diǎn)的工作波形 測(cè)試結(jié)果為過(guò)流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)：1.45 A;輸出長(zhǎng)期短路無(wú)損壞，短路去除恢復(fù)輸出；遙控端使能工作正常。 上電時(shí)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)波形如圖4所示。 圖4中CH2是升壓后的電壓，當(dāng)輸入加電，升壓電路立即工作，很快達(dá)到28 V.為了防止后極負(fù)載的浪涌電流對(duì)MOSFET的沖擊，可以看到驅(qū)動(dòng)電壓（CH1）是緩慢上升的，輸出電壓（CH3）也是跟隨緩慢上升。在啟動(dòng)過(guò)程中，很明顯看到MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓不高，MOSFET工作于線性區(qū)，同樣可以抑制輸出端電流的增大，有效保護(hù)MOSFET在啟動(dòng)過(guò)程中不過(guò)載。 圖4 上電波形 正常工作時(shí)的各點(diǎn)電壓如圖5所示。由圖5可以看到，正常工作時(shí)，輸出電壓（CH3）等于升壓后的電壓（CH2），MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓（CH1）比輸出電壓高了14 V，可以保證MOSFET良好導(dǎo)通，降低熱耗和壓差。 圖5 正常工作波形 當(dāng)負(fù)載過(guò)流或短路時(shí)的波形如圖6所示。由圖6可以看到，當(dāng)輸出過(guò)流或短路時(shí)，MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓（CH1）迅速下降，導(dǎo)致輸出電壓（CH3）跟著下降，有效的保護(hù)電源的安全。經(jīng)過(guò)2s的重啟周期后，驅(qū)動(dòng)電壓有個(gè)小小的試探電壓，如果故障仍然存在，重啟不成功，驅(qū)動(dòng)電壓又恢復(fù)到零。反之重啟成功，正常輸出。如圖7所示。 圖6 故障保護(hù)波形 圖7 電源重啟波形 5 結(jié)語(yǔ) 實(shí)踐證明，基于TPS2491熱插拔控制器的保護(hù)控制電路具有電路簡(jiǎn)單可靠，應(yīng)用方便的特點(diǎn)。本電路應(yīng)用于開(kāi)關(guān)直流升壓電路中，完美解決了原來(lái)沒(méi)有輸出過(guò)流短路保護(hù)以及不能遙控輸出的缺陷，收到了良好效果。 |
