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設計了一種利用熱插拔保護控制芯片，實現(xiàn)直流升壓電路的輸出過流、短路保護。分析了直流升壓電路以及熱插拔保護電路的工作原理及實現(xiàn)方式，詳細介紹了電路及參數(shù)設計、選擇過程，以及實際工作開關波形，并給出了設計實例。實驗證明，利用熱插拔保護控制芯片，有效地避免了常規(guī)直流升壓電路在輸出過流短路時的固有缺陷，提高了電源使用的可靠性。 熱插拔保護電路通常用于服務器、網(wǎng)絡交換機、以及其他形式的通信基礎設施等高可用性系統(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)照樣維持正常運轉(zhuǎn)，這個過程稱為熱插拔（Hot Swapping）。本文將闡述熱插拔控制器的另一種用法，利用熱插拔保護電路具有的過流和短路保護功能，解決開關直流升壓電路的輸出端保護問題。 1 開關直流升壓電路的基本原理 開關直流升壓電路（The Boost Converter或者Step-up Converter），是一種開關直流升壓電路。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 開關管導通時，電源經(jīng)由電感-開關管形成回路，電流在電感中轉(zhuǎn)化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管-負載形成回路，完成升壓功能。 輸出過流時，電路會采樣開關管的峰值電流，減小占空比，導致輸出電壓下降。當輸出電壓降到輸入電壓時，過流保護不再受控，保護失效。另外輸出過流點還會隨著輸入電壓升高而變大。當輸出短路時，輸入電源會通過電感、升壓二極管形成短路回路，導致電源故障。BOOST電路還有一個缺陷是不方便控制關閉輸出，當控制芯片關閉，開關管截止時，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)對災難的及時恢復能力、擴展性和靈活性。如果沒有熱插拔控制器，負載端的模塊插拔時，會對電源產(chǎn)生浪涌電流的沖擊，影響電壓的穩(wěn)定與電源的可靠性。這個問題可通過熱插拔控制器來解決，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，在正常工作過程中避免短路和過流。 3 關鍵電路設計與實例 3.1 電源要求 電源實例如圖2所示，其中的電源輸入9~18 V，額定輸出28 V/1.2 A，過流保護1.5 A。 圖2 電源實例 3.2 電路簡介 這是一款用了TPS2491 熱插拔控制芯片的升壓電路，帶有輸出過流短路保護，當遙控端CTL接地時，電源進入待機模式，輸出為零。 熱插拔控制器包括用作電源控制主開關的N 溝道MOSFET、測量電流的檢測電阻以及熱插拔控制器TPS2491 三個主要元件，如上圖2所示。熱插拔控制器用于實現(xiàn)控制MOSFET導通電流的環(huán)路，其中包含一個電流檢測比較器。電流檢測比較器用于監(jiān)控外部檢測電阻上的電壓降。當流過檢測電阻上產(chǎn)生50 mV以上電壓的電流將導致比較器指示過流，關閉MOSFET.TPS2491具有軟啟動功能，其中過流基準電壓線性上升，而不是突然開啟，這使得負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成的開啟電路用于使能輸出。比較器的開啟電壓為1.35 V，關閉電壓1.25 V，有0.1 V的滯差保證工作的穩(wěn)定。通過分壓電阻精確設定了使能控制器所必須達到的電源電壓。器件一旦使能，MOSFET 柵極就開始充電，這種電路所使用的N 溝道MOSFET 的柵極電壓必須高于源極。為了在整個電源電壓（VCC）范圍內(nèi)實現(xiàn)這個條件，熱插拔控制器集成了一個電荷泵，能夠?qū)ATE引腳的電壓維持在比VCC還高10 V的水平。必要時，GATE引腳需要電荷泵上拉電流來使能MOSFET，并需要下拉電流來禁用MOSFET.較弱的下拉電流用于調(diào)節(jié)，較強的下拉電流則用于在短路情況下快速關閉MOSFET。 熱插拔控制器還有一個模塊為定時器，它限制過流情況下電流的調(diào)節(jié)時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內(nèi)承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標出這個范圍，或稱作安全工作區(qū)（SOA）。 圖3 MOSFET安全工作區(qū) 定時器還決定控制器自動重啟的時間，故障導致關閉MOSFET，經(jīng)過16 個振蕩周期后，芯片重新使能輸出。 3.3 設計過程 保護電路參數(shù)設定分幾步： （1）過流采樣電阻 Rs=0.05/(1.2×IMAX),取值33mΩ，過流動作點為1.5A左右。 （2）MOSFET的選型：耐壓要大于輸入電壓和瞬態(tài)過沖，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在啟動或輸出短路時會有極大的功率消耗，限制PLIM可以保護管子防止溫度過高燒毀。通過3腳PROG電壓的調(diào)節(jié)，設定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最高工作溫度時的導通電阻。 VPROG= PLIM/(10×ILIM) VPROG= VREF×R10/(R9×R10) 式中VREF為4V。實際選用MOSFET為AOL1242。 （4）選擇CT 選擇合適的電容，保證輸出啟動時能完成輸出電容的充電且不引起故障保護的動作。 （5）選擇使能啟動電壓 EN端啟動電壓為1.35 V，關閉電壓為1.25 V.利用此引腳，可以做輸入欠壓保護；設計分壓電阻為240 kΩ和13 kΩ，開啟電壓為26.3 V，在24.3 V時關閉。 （6）其他參數(shù) GATE驅(qū)動電阻，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，在本設計中不需要，懸空處理；Vcc端旁路電容，取0.1 μF. 電源使能端串聯(lián)一個二極管BAV70，低電平時可以關閉升壓電路和電源輸出。 4 測試結果和各測試點的工作波形 測試結果為過流保護動作點：1.45 A;輸出長期短路無損壞，短路去除恢復輸出；遙控端使能工作正常。 上電時各個測試點波形如圖4所示。 圖4中CH2是升壓后的電壓，當輸入加電，升壓電路立即工作，很快達到28 V.為了防止后極負載的浪涌電流對MOSFET的沖擊，可以看到驅(qū)動電壓（CH1）是緩慢上升的，輸出電壓（CH3）也是跟隨緩慢上升。在啟動過程中，很明顯看到MOSFET的驅(qū)動電壓不高，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MOSFET在啟動過程中不過載。 圖4 上電波形 正常工作時的各點電壓如圖5所示。由圖5可以看到，正常工作時，輸出電壓（CH3）等于升壓后的電壓（CH2），MOSFET驅(qū)動電壓（CH1）比輸出電壓高了14 V，可以保證MOSFET良好導通，降低熱耗和壓差。 圖5 正常工作波形 當負載過流或短路時的波形如圖6所示。由圖6可以看到，當輸出過流或短路時，MOSFET驅(qū)動電壓（CH1）迅速下降，導致輸出電壓（CH3）跟著下降，有效的保護電源的安全。經(jīng)過2s的重啟周期后，驅(qū)動電壓有個小小的試探電壓，如果故障仍然存在，重啟不成功，驅(qū)動電壓又恢復到零。反之重啟成功，正常輸出。如圖7所示。 圖6 故障保護波形 圖7 電源重啟波形 5 結語 實踐證明，基于TPS2491熱插拔控制器的保護控制電路具有電路簡單可靠，應用方便的特點。本電路應用于開關直流升壓電路中，完美解決了原來沒有輸出過流短路保護以及不能遙控輸出的缺陷，收到了良好效果。 |
