熱插拔控制器在直流升壓電路中的設計應用

摘 要： 設計了一種利用熱插拔保護控制芯片，實現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方式，詳細介紹了電路及參數設計、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。

關鍵詞： 開關直流升壓電路； 熱插拔控制； 安全工作區； 輸出保護

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0165?03

Design application of the hot swap controller in the DC boosted circuit

LI Xing1， QIAN Yue?guo2， JIN Li1， ZHANG Jian?qing1

（1. The 36th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Jiaxing 314001， China；

2. Zhejiang JEC Electronic Co.， Ltd.， Jiaxing 314001， China）

Abstract： A hot?swap protection control chip is designed， which realized the protection of over?current and short circuit in DC boost circuit output. The work principle and implementation model of DC boost circuit and the hot?swap protection circuit are analyzed. The circuit， the parameters design， the selection process and actual work switching waveforms are introduced in detail， and the design examples are given. Experiments show that using hot?swap protection control chip can effectively avoid the inherent defects of the conventional DC boost circuit in overcurrent short circuit. It improved the reliability of power supply.

Keywords： switch DC booster circuit； hot?swap control； safety operation area； output protection

熱插拔保護電路通常用于服務器、網絡交換機、以及其他形式的通信基礎設施等高可用性系統。這種系統通常需要在帶電狀態下替換發生故障的電路板或模塊，而系統照樣維持正常運轉，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，電源經由電感?開關管形成回路，電流在電感中轉化為磁能貯存；開關管關斷時，電感中的磁能轉化為電能在電感端左負右正，此電壓疊加在電源正端，經由二極管?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，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，會對電源產生浪涌電流的沖擊，影響電壓的穩定與電源的可靠性。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監控電源電流，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。

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，如圖2所示。熱插拔控制器用于實現控制MOSFET導通電流的環路，其中包含一個電流檢測比較器。電流檢測比較器用于監控外部檢測電阻上的電壓降。當流過檢測電阻上產生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）]范圍內實現這個條件，熱插拔控制器集成了一個電荷泵，能夠將GATE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節，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節時間。選用的MOSFET能在指定的最長時間內承受一定的功率。MOSFET制造商使用圖3標出這個范圍，或稱作安全工作區（SOA）。

圖3 MOSFET安全工作區

定時器還決定控制器自動重啟的時間，故障導致關閉MOSFET，經過16個振蕩周期后，芯片重新使能輸出。

3.3 設計過程

保護電路參數設定分幾步：

（1）過流采樣電阻

[RS=0.05（1.2×IMAX），]取值33 mΩ，過流動作點為1.5 A左右。

（2）MOSFET的選型：耐壓要大于輸入電壓和瞬態過沖，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電壓的調節，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=PLIM10×ILIM]

[VPROG=VREF×R10R9×R10]

式中[VREF]為4 V。實際選用MOSFE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

GATE驅動電阻，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 上電波形

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的驅動電壓不高，MOSFET工作于線性區，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。

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。經過2 s的重啟周期后，驅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。

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作者簡介：李 惺 中國電子科技集團公司第三十六研究所電源工程師，在開關電源技術研究領域中先后對大功率AC/DC電源、模塊化DC/DC電源、組合模塊化DC/DC電源及特種電源的組成架構和拓撲結構進行過深入研究。尤其在軍工電源領域長期的研發和積累形成了系列化電源產品。于2000年在總參四部主持下參與編寫了模塊化電源國家軍用標準GJB4030?2000FL5840，《軍用雷達和電子對抗裝備低壓電源用模塊規范》。