摘要：本文介紹5通道熱插拔電路，它可以同時處理順序接通的正負輸入電壓。其獨特的配置支持兩路沒有斷路器保護的負壓通道，以及由一個MAX5927A正電壓熱插拔控制器控制的3路正電源通道。提供的測試數據表明，電路滿足5路電源所要求的負載供電和上電排序要求。

引言

本文介紹的5通道電路雖然只采用了一個MAX5927A 4通道熱插拔控制器，卻可以實現3路正電源和2路負電源的熱插拔功能。圖1電路滿足以下負載供電和上電排序要求：

• 2A時，Ch1 = +3.3V (電路在 ≥ 3A時斷電)
• 1.6A時，Ch2 = +5V (電路在 ≥ 2.4A時斷電)
• 2A時，Ch3 = +12V (電路在 ≥ 3A時斷電)
• 150mA時，Ch4 = -12V (沒有電路斷電動作)
• 50mA時，Ch5 = -5V (沒有電路斷電動作)
• 啟動順為：通道2 (+5V)和通道3 (+12V)在低電平有效CARD_PRESENT變為低電平時立即接通。STAT2和STAT3在低電平有效CARD_PRESENT變為低電平10.8ms后，變為高電平。
• 通道1 (+3.3V)相對于通道2和通道3延遲11.8ms接通。通道1接通10.8ms后，STAT1變為高電平。
• 通道4 (-12V)和通道5 (-5V)相對于通道2和通道3延遲27.8ms接通。通道4和通道5接通10.8ms后，STAT4變為高電平。
• 鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個出現錯誤，所有通道將被關閉，直到低電平有效CARD_PRESENT進入下一關斷和接通周期。

圖1. 5通道熱插拔電路控制3路正電源和2路負電源

雖然延遲要求和故障管理是針對這一設計的，但可以改變這一延遲以滿足其他時序要求。如果需要，故障管理可以改為自動重試模式。

熱插拔控制器選擇

之所以選擇MAX5927A，是由于它具有特殊的+15V絕對最大輸入電壓，而MAX5927是14V。如果12V供電電路采用了鏡像電路電感，斷路器過載時電路開路，使得12V電路可能出現供電電壓振鈴和過沖，那么這一電壓優勢就顯得非常重要。

接通時序

電阻R36 (在IC引腳10)將每一通道的接通時間設置為10.8ms ±2.8ms。在此期間，MAX5927A的內部低速比較器被禁止，使負載電容充電電流能夠達到通道1至通道3每一通道預設電流觸發值的兩倍，以滿足要求。在此期間，不需要觸發斷路器，負載電容很容易充電至最終值。在4kΩ和500kΩ之間調整R36，可以使啟動延時設置在400μs (最小)到50ms (最大)之間的任意值。在這一啟動時間的最后，STAT輸出從FALSE至TRUE的瞬變。STAT輸出為正，但也可以通過接地POL (引腳29)設置為負。

通過(R29 + R30) - C16時間常數將通道1相對于通道2和通道3延時11.8ms接通；可以增大C16以加大延時。通道1開始接通10.8ms后，STAT1變為高電平。

通過(R29 + R31) - C17時間常數將通道4和通道5相對于通道2和通道3延時28ms接通；可以增大C17以加大延時，或者減小R31，以縮短延時。通道4和通道5開始接通10.8ms后，STAT4變為高電平。

MODE置位(開引腳28)以配置MAX5927A為上電排序模式。

輸出電壓擺率

所有通道輸出電壓擺率設置為約1V/ms，數值與負載電容(C11至C15)值無關?？梢孕薷腃6至C10柵極電容值以改變擺率。擺率計算為ΔV/Δt = IGATE/CGATE。由于計算中并沒有包括FET柵極電容，因此，該方程并不是很精確。GATE1、GATE2和GATE3的柵極充電電流約為100μA。由于R10和R11電流的原因，Q4和Q5的柵極充電電流為30μA到50μA。負載電容充電電流可以計算為ICHARGE = CLOAD × ΔV/Δt。它由IGATE/CGATE = ICHARGE/CLOAD得出。電容C8至C10使通道1到通道3的輸出達到約1V/ms擺幅。沒有負載時，C13至C15以大約0.5A的電流充電，直到達到滿幅輸出。如果沒有C8至C10，輸出以兩倍于上面計算電流觸發值的電流對負載電容進行充電。電容C6和C7為10nF，使通道4和通道5的擺幅大約為1V/ms。

斷路器門限

21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R7 = R9 = 8.3mΩ設置了通道1 (+3.3V)和通道3 (+12V)的限流值。默認值乘以1.13以及R33 = R35 = 1.15kΩ，得到大約3.1A至3.8A的最終值。21mV至27.5mV的慢速比較器閾值以及R8 = 10mΩ設置通道2 (+5V)限流值。默認值乘以1.15以及R34 = 1.18kΩ，得到大約2.415A至3.625A的最終值。通過調整檢測電阻R7到R9以及ISET電阻R33到R35來設置其他的限流值?？梢詮?a href="http://www.nxhydt.com/soft/" target="_blank">數據資料提供的曲線中確定默認乘數。限流斷路器不對低電流通道4 (-12V)和通道5 (-5V)提供保護。

內部上拉把LATCH置為高電平，將MAX5927A配置為鎖存故障管理。如果通道1至通道3中的任意一個出現故障，所有通道將被關斷，直到低電平有效CARD_PRESENT進入下一關斷和接通周期。

負電壓通道4和通道5

MAX5927A設計用于控制正電壓電路。然而，從MAX5927A的GATE4輸出可以獲得負電壓通道Q4和Q5大約4.2V的柵極驅動，這一輸出由晶體管Q5和Q6以及電阻R4–R7進行修改。

GATE4的柵極充電電流輸出是60μA至100μA，但是在對稱電路R4–Q7和R5-Q6中被分成30μA至50μA。GATE4的電壓可以比VIN4(3.3V)高5.3V，或者接通時≤+8.6V，關斷時接近0V。接通時，VQ6(BASE) = VQ7(BASE) = 3.3V，VQ6(EMITTER) = VQ7(EMITTER) ≈ 3.9V，關斷時為0V。R4和R5上相等的壓降使得Q6和Q7均分電流。R6和R7上相等的電流在Q4和Q5上產生相等的柵極驅動。關斷狀態下，GATE4 = 0V時的柵極驅動為0V。Q4和Q5的關斷速度取決于流過R6至R7的柵極放電電流。

FET選擇

所有通道，除了+12V通道，采用了SOT23封裝的n通道MOSFET直通晶體管；每一FET原理圖列出了VGS = 4.5V和TJ = +25°C時的最大RDS(ON)。VGS(max) = 20V (Si9410)的MOSFET被用于+12V通道。

總結

電路滿足所有的負載和上電排序設計要求—處理3個正電壓和2個負電壓通道，具有合適的順序接通時序、大于所需最小值的過電流觸發點，以及大約1V/ms的輸出擺率，達到了設計要求。

+5V和+12V通道的+3.3V延時 = 11.8ms (請參考圖2)

+3.3V通道的-5V延時 = 16.2ms (請參考圖3)

-5V負載關斷時間 = 1ms (請參考圖4和圖5)

-12V負載關斷時間 = 4ns (請參考圖6和圖7)

-12V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖8)

-12V負載電容充電電流 ≈ 80mA (請參考圖9)

-5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖10)

-5V負載電容充電電流 ≈ 55mA (請參考圖11)

+3.3V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖12)

+3.3V負載電容充電電流 ≈ 400mA (請參考圖12)

3A負載+3.3V接通，不觸發斷路器(請參考圖13)

+3.3V斷路器在3.22A時關斷(請參考圖14)

+5V負載電容充電電流 ≈ 500mA (請參考圖15)

+5V輸出電壓擺率 ≈ 1V/ms (請參考圖15)

2.4A負載+5V接通，不觸發斷路器(請參考圖16)

+5V斷路器在2.87A時關斷(請參考圖17)

+12V負載電容充電電流 ≈ 500mA (請參考圖18)

3A負載+12V接通，不觸發斷路器(請參考圖19)

+12V斷路器在3.1A時關斷(請參考圖20)

+5V在 ≈ 4A時啟動短路電路(請參考圖21)

+12V在 ≈ 5.7A時啟動短路電路(請參考圖22)

測試結果

圖2. +12V至+3.3V接通延時，沒有負載
Ch1 = Q8BASE(CARD_PRESENT), Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注釋：+12VOUT和+3.3VOUT之間有11.8ms延時。


圖3. +3.3V至-5V接通延時，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VOUT, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = -5VOUT
注釋：+3.3VOUT和-5VOUT之間有16.2ms延時。


圖4. -5V柵極相對于+3.3VGATE關斷，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = -5VGATE
注釋：-5V柵極關斷較慢；當1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時，FET關斷。由此，正電壓通道關斷1.5ms至4ms后，-5V柵極完全關斷。


圖5. -5V負載關斷，50mA負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：雖然由于輸出電容放電導致VOUT(-5V)沒有達到0V，-5V在1ms內下降至零。


圖6. -12V柵極關斷，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +12VGATE, Ch4 = -12VGATE
注釋：-12V柵極關斷較慢；當1 < VGATE < 3V (2.5V，典型值)時，FET關斷。由此，正電壓通道關斷1ms至4ms后，-12V柵極完全關斷。


圖7. -12V負載關斷，150mA負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：雖然由于輸出電容放電導致VOUT(-12V)沒有達到0V，-12V輸入在4ms內降到零。


圖8. -12V接通波形
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：接通順序，80Ω阻性負載 = 150mA。


圖9. -12V接通波形，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -12VGATE, Ch3 = -12VOUT, Ch4 = IIN(-12V)
注釋：IIN(PK) = 80mA，對輸出電容充電。


圖10. -5V接通波形，100Ω阻性負載 = 50mA
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：-5V擺率大約為1V/ms。


圖11. -5V接通波形，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = -5VGATE, Ch3 = -5VOUT, Ch4 = IIN(-5V)
注釋：IIN(PK) = 55mA，對輸出電容充電。


圖12. +3.3V接通波形，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)
注釋：IIN(PK) = 400mA，對輸出電容充電；+3.3V擺率大約為1V/ms。


圖13. +3.3V接通波形，1.1Ω負載 = 3A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +3.3VGATE, Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IIN(+3.3V)


圖14. +3.3V過流關斷
Ch1 = STAT1, Ch2 = VGATE (+3.3V), Ch3 = +3.3VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負載放電。測得的觸發電流為3.22A。*


圖15. +5V接通負載電容充電電流，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)
注釋：IIN(PK) = 500mA，對輸出電容充電。


圖16. +5V接通電流，2.083Ω負載 = 2.4A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VGATE, Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IIN(+5V)


圖17. +5V過流關斷
Ch1 = STAT2, Ch2 = VGATE (+5V), Ch3 = +5VOUT, Ch4 = IOUT(+5V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負載放電。測得的觸發電流為2.87A。


圖18. +12V啟動電流，沒有負載
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)
注釋：IIN(+12Vpk) = 500mA，對輸出電容充電。


圖19. +12V接通電流，4Ω負載 = 3A
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +12VGATE, Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IIN(+12V)


圖20. +12V過流關斷
Ch1 = STAT3, Ch2 = VGATE (+12V), Ch3 = +12VOUT, Ch4 = IOUT(+3.3V) 0.5A/div
注釋：IOUT和VOUT減小是由于輸出電容向恒阻負載放電。測得的觸發電流為3.1A。


圖21. 短路電路的+5V啟動電流
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = +5VOUT, Ch3 = +5VGATE, Ch4 = IIN(+5V)
注釋：觸發時的4A負載電流。


圖22. 短路電路的+12V啟動電流
Ch1 = Q8BASE, Ch2 = VOUT, Ch3 = VGATE, Ch4 = IOUT
注釋：觸發時的5.7A負載電流。

測試PCB布板

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圖23. 參考設計PCB元件布局


更詳細的圖(PDF, 330kB)
圖24. 頂層


圖25. 底層

材料清單

Qty	Designator	Description	Manufacturer and Part Number
5	C1, C2, C3, C4, C5	1μF ±10%, 25V X7R ceramic capacitors (0805)	—
3	C6, C7, C18	10nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitors (0805)	—
1	C8	56nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C9	68nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C10	100nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C11	47μF ±20%, 6.3V X5R electrolytic capacitor (1210)	TDK C3225X5R0J476M
1	C12	100μF +80%, -20%; 16V Y5V ceramic capacitor (2220)	TDK C5750Y5V1C107Z
3	C13, C14, C15	470μF ±20%, 16V electrolytic capacitors	—
1	C16	15nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
1	C17	33nF ±10%, 25V X7R ceramic capacitor (0805)	—
2	D1, D2	75V, 200mW silicon diodes (SOD-323)	Diodes Inc. MMBD4148WS
2	Q1, Q2	20V, 4.9A, 33mΩ n-channel MOSFETs (SOT23)	Vishay Si2314BDS
1	Q3	30V, 6.9A, 33mΩ n-channel MOSFET (8-SO)	Vishay Si9410BDY
2	Q4, Q5	30V, 4A, 47mΩ n-channel MOSFETs (SOT23)	Vishay Si2306BDS
2	Q6, Q7	60V, 800mA bipolar PNP transistors (SOT23)	Fairchild MMBT2907
1	Q8	40V, 1A bipolar NPN transistor (SOT23)	Fairchild MMBT2222A
10	R1, R2, R3, R4, R5, R24, R25, R26, R27, R32	100kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R6	1Ω ±5%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
2	R7, R9	0.008Ω ±1%, 1/4W thick-film resistors (2512)	—
1	R8	0.010Ω ±1%, 1/4W thick-film resistor (2512)	—
2	R10, R11	90.9kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R12, R13	133kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R14, R15	15kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
3	R16, R17, R18	4.7kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0603)	—
5	R19, R20, R21, R22, R23	10kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R28	20kΩ ±5%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
2	R29, R36	100kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R30, R31	910kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
2	R33, R35	1.15kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistors (0805)	—
1	R34	1.18kΩ ±1%, 1/16W thick-film resistor (0805)	—
1	U1	Quad hot-swap controller IC, 32-TQFN-EP	Maxim MAX5927AETJ

*注意，圖14、圖17和圖20使用了特殊的電流探針，只顯示了真值的72%。使用可調恒流負載測量斷路器電流，標出了關斷時的點。