降低热插拔控制电路的电路电流

[09-13 17:03:54]   来源:http://www.88dzw.com  控制技术   阅读:8404

文章摘要:摘要:当热插拔控制电路的输出发生短路时,会触发内部断路器功能并断开电路。但在内部断路器做出反应之前,刚开始的短路电流可能达到数百安培。通常热插拔控制器断路器的延迟时间是200ns至400ns,再加上栅极下拉电流有限,栅极关闭时间可能需要10µs至50µs。在此期间,会产生较大的短路电流。 本应用笔记给出了一个简单的外部电路,它能将初始电流尖峰降至最小并在200至500ns内隔离短路故障。 典型热插拔电路我们来考察采用MAX4272构建的+12V、6A典型热插拔控制电路(图1)。根据MAX4272的规格指标,可知其包含触发门限分别为50mV和200mV的低速和快速比较器(

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摘要:当热插拔控制电路的输出发生短路时,会触发内部断路器功能并断开电路。但在内部断路器做出反应之前,刚开始的短路电流可能达到数百安培。通常热插拔控制器断路器的延迟时间是200ns至400ns,再加上栅极下拉电流有限,栅极关闭时间可能需要10µs至50µs。在此期间,会产生较大的短路电流。

本应用笔记给出了一个简单的外部电路,它能将初始电流尖峰降至最小并在200至500ns内隔离短路故障。

典型热插拔电路

我们来考察采用MAX4272构建的+12V、6A典型热插拔控制电路(图1)。根据MAX4272的规格指标,可知其包含触发门限分别为50mV和200mV的低速和快速比较器(整个温度范围内,容限分别为43.5mV至56mV和180mV至220mV)。触发电流大小通常为工作电流的1.5至2.0倍,选择RSENSE = 5mΩ。RSENSE允许有5%的容限,过载条件下低速比较器的触发电流范围是8.28至11.76A;发生短路时,快速比较器的触发电流范围是34A至46.2A。

图1. 典型的热插拔控制电路
图1. 典型的热插拔控制电路

低速比较器的最低触发门限比正常工作电流高38%,快速比较器的短路触发门限是工作电流的6至8倍。

快速比较器的延迟时间为350ns,这一时段的短路电流尖峰仅受限于电路阻抗。此后电流缓慢下降,直至完全隔离短路故障,3mA栅极下拉电流限制了MOSFET M1栅极电容(3nF至4nF)的放电速率。短路电流在15µs至40µs内缓慢减小,与此同时,栅极电压从19V被拉到接近地电位。

峰值短路电流

最初350ns内的峰值电流由以下因素决定:
(a) 电源ESR,(b) 短路状态,(c) RSENSE阻值,(d) M1的RDS(ON),(e) M1的ID(ON)。

以上参数均采用最接近实际情况的取值,可以计算出短路时电路的总阻抗:
(电源ESR ≈ 4mΩ) + (短路环节 ≈ 3mΩ) + (RSENSE = 5mΩ) + (RD(ON) ≈ 4mΩ) ≈ 16mΩ。

这时,短暂的峰值电流为:ISC ≈ 750A,并取决于电源的储能电容(带2200µF电容的低ESR背板以750A电流放电时,1µs内电压仅降低340mV)。这种情况下,实际的峰值ISC会由M1的ID(ON)限制到400A左右。

ID(ON)取决于VGS,因此有必要检查电路,以确定这一时段的栅-源电压。MAX4272包含一个内部电荷泵,可使正常工作时的栅极电压高出VIN约7V。因而MOS管导通时VGS = 7V。

短路的第二个影响是它实际上增加了VGS。短路在M1的漏-源之间引入了一个电压阶跃 -等于总输入电压的一部分。由于M1的RD(ON)约为预估的短路总阻抗的1/3,此时施加的VDS约为12V阶跃电压的1/3。由漏-栅电容cdg和栅-源电容cgs组成的分压器会将该阶跃电压的一部分转移到栅极。经过适当计算,可知引入的额外ΔVGS为300mV至500mV,但短路期间进行的测试表明该值可高达ΔVGS = +3V。

至此可以清楚地看出,牢固可靠的短路会在几微秒至几十微秒内产生数百安培的电流。

设计者可能希望将ISC峰值限制在50A,持续时间小于1µs,但如果不增加更快速的比较器和栅极下拉电路的话,这一要求是不切实际的。然而,可以考虑对电路做一些简单的修改。
  1. 在内部快速比较器最初的350ns响应时间内,电流会由ID(ON)限制在几百安以内,此时可以通过增加一个简单的外部电路来加快栅极放电,从而将短路持续时间限制≤ ½µs。
  2. 或者用一个稍复杂的外部电路将Isc峰值限制在100A范围内,并且持续时间≤ 200ns。

快速栅极下拉电路限制大短路电流的持续时间

只需增加一个PNP型达林顿管Q1,即可极大地缩短大短路电流的持续时间,如图2所示。二极管D1允许栅极在导通状态下正常充电,而关断时控制器的3mA栅极放电电流改为直接驱动Q1的基极。然后Q1在约100ns时间内迅速完成栅极放电。这样,发生短路时的大电流持续时间大为缩短,仅略大于快速比较器350ns的延迟时间。

图2. 具有快速栅极下拉的热插拔控制器

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