基于TPS2491的热插拔保护电路设计

PROG、TIMER和PG引脚置为有效状态，外部MOSFET在GATE驱动下被打开，控制器使用VSENSE-OUT和VVCC-SENSE分别监测通过MOSFET漏极到源极的电压（VDS）和电流（ID）。

2）电流控制及可编程

控制器通过外部感应电阻Rs两端的电压降来监测流过MOSFET的电流ID，当浪涌电流出现时，通过降低MOSFET栅极电压，保持感应电阻两端压降50 mV，来达到对热插拔时浪涌电流的控制。通过变换感应电阻Rs阻值的大小，来调节最大输出电流。

3）MOSFET耗散功率限制

控制器通过RPOG引脚的输入电压来确定MOSFET上允许的最大耗散功率，即VPROG=PLIM/（10*ILIM），结合所选外部MOSFET的SOA来确定定时电容GT的大小，保证MOSFET始终保持在其安全工作区工作。

4）过载保护

一个积分电容CT被连接到TIMER引脚提供过载延时定时和控制器重启间隔定时。热插拔或输出短路造成电源电压下降时，CT进行充电，TIMER定时开始，此时MOSFET栅极驱动电路控制ID恒流，当CT充电达到4 V时，GATE引脚被拉低，MOSFET被关断。此后内部电路控制CT进行放电，当放电到达1 V时，GATE重新进行使能，控制器自动重启。此后，如果仍然过载，则上述过程将重复进行。

2.2 24V保护电路设计

本节基于TPS2491详细介绍正压24 V热插拔电路的设计过程，电路原理图如图3所示，设定VIN（MAX）=24 V，最大输出电流IMAX=1.5 A.

1）感应电阻Rs（图3中R7）选型

图3 24V热插拔电路原理图

Rs=0.05/（1.2×IMAX），取值33 mΩ，IMAX≈1.5 A.

2）外接MOSFET选型

外接N沟道MOSFET VDS耐压要大于输入电压和瞬态过冲，并要有一定的余量，并且RDSON（MAX）要满足，

其中TJ（MAX）一般取125℃，热阻RθJA取决于管子的封装及散热的方式。

按照上述条件，设计中选取了N沟道MOSFET AOLL1242作为24V热插拔电路外接MOSFET，其VDS=40V，ID=69A（VGS=10 V），满足设计要求的最大输入电压24 V和最大输出电流1.5 A，并留有足够的余量，防止瞬态过冲。

3）MOSFET的PLIM设定

MOSFET在热插拔及输出短路时会有极大的功率消耗，限制PLIM可以保护管子防止温度过高损坏。通过对引脚PROG电压的调节，来设定PLIM的大小，并且要满足条件：

4）定时电容CT（图3中C2）选型

选择合适的电容，完成设定故障重启间隔定时外，还必须满足过载持续定时时间内外接MOSFET的功率耗散，不造成管子损坏，设计中选择CT=0.1μF.

5）使能启动电压设定

控制器使能启动电压为1.35 V，关闭电压为1.25 V.通过设定EN引脚输入电压，可以实现电源输入欠压保护。设计中选择R1=200 kΩ，R2=13 kΩ，由公式

VIN（ON）=1.35/[R2/（R1+R2）]=22 V

可知，电源输入电压达到22 V时控制器使能启动；由公式

VIN（OFF）=1.25/[R2/（R1+R2）]=20.5 V

可知，电源输入电压下降到20.5 V时控制器进入欠压保护。

6）其他选型

为了抑制高频振荡，GATE驱动电阻R5取值10Ω；为保证PG引脚吸收电流小于2 mA，上拉电阻R6取值100 kΩ；C1取值0.1μF，D1选择齐纳TVS管SA24AG；24 V电源输入端串接IN5822肖特基二极管D2防止电源反接。

3电路测试验证

文章设计的正压24 V热插拔保护电路，通过在背板结构的数据采集卡上应用，进行测试验证，采集卡背板电源总线电压为24 V.

测试方法：在采集卡插入背板时，通过示波器监测背板电源总线波形变化情况，以及定时电容CT正极波形变化情况。

测试结果：数据采集卡无热插拔保护电路时，采集卡插入背板时，背板电源总线波形如图4所示；数据采集卡有热插拔保护电路时，采集卡插入背板时，背板电源总线波形如图5所示，定时电容CT正极波形如图6所示。

图4 无热插拔保护电路背板电源总线波形图

图5 有热插拔保护电路背板电源总线波形图

图6 有热插拔保护电路定时电容波形图

电路，插入带电背板时，背板24 V电源总线电压有一个6V左右的瞬时（约3 ms）跌落。可知，若负载电容更大，则背板电源总线电压跌落将更大，跌落时间将更长，在这样的电压跌落幅值及时间内，及有可能造成背板上其他正常工作采集卡复位，甚至由于瞬时较大的负载电容充电浪涌电流损坏接口电路。

由图5波形可以看出，当采集卡有热插拔保护电路，插入带电背板时，背板24 V电源总线电压几乎无跌落。同时，对图6分析可知，在采集卡热插拔时出现了浪涌过流，定时电容CT开始充电，在充电过程中MOSFET栅极驱动电路维持电源输出恒流，由于CT充电未达到4 V（约2 V）时采集卡负载电容已经充电完成，热插拔控制器即刻取消了限流保护，进入了正常工作状态，控制CT开始放电，并且在图6可以明显看出，CT充电周期大大小于放电周期，也验证了CT充电电流（25μA）和放电电流（2.5μA）的不同。