降低热插拔控制电路的电路电流

时间：03-17 来源：互联网点击：

- 机械开关闭合时总会出现几毫秒的触点抖动过程。旋转式多触点开关似乎可以避免类似情况发生，但由于多次大电流闭合所形成的电火花会腐蚀触点，因此开关的重复性令人怀疑。
- 大电流继电器触点闭合时也会产生抖动，并且会表现出不同的闭合电阻。
- 实验证明，可控硅整流器的电流上升速率不尽人意。
- 大电流汞位移继电器是人们寄予厚望的最佳方法，但结果并不令人满意。一个标称阻抗4mΩ的60A、600V汞继电器在刚开始接触时阻抗为40mΩ，随着电流脉冲流过15μs后会轻松降至4mΩ。
- 手工短路操作可提供一种随意的、断续并且非重复性的短接方式，具有较强的随机性！可以获得非常陡的电流波前沿。综上所述，尽管触点腐蚀对每次闭合的重复性有影响，但这种方法仍是最有效(和最经济)的。
最可行的实验室方法是采用多个大输出CMOS施密特线路驱动器来驱动多个并连、低RD(ON)、NMOS晶体管。由于时间和资源所限，这一方案未被采纳。

如果在实验室里通过机械手段，来始终如一地产生带陡峭电流波前的真正低阻短路故障极为困难。电路工作时几乎肯定会经历这种意外短路故障。

通常人为制造短路将产生如图4所示的电容放电电流和电压波形。上方曲线是选择5V/div档位时记录的短路输出电压，可以看出大部分时间(25μs/div)内电容放电不足一半。下方曲线是选择25A/div档位时记录的短路电流，可清楚地显示出接触是断断续续的。

图4. 不规则的机械短路信号波形

构建ESR低于5mΩ的电源也不容易。尽管如此，仍竭尽全力构建了一个低ESR (4–5mΩ)的电压源，经细心测量，可知在100A短路情况下电压下降440mV。该电压源的输入端直接并联了1个5500μF的计算机等级电解电容、1个3.3μF多层陶瓷电容以及6个100μF专业聚合物铝电解电容，并由1个10A电源驱动。
短路电流波形
图1所示电路(未作改进)的短路电流波形如图5所示。由于测量的是电流检测电阻RS两端的电压，并且示波器地与测试电路的+12V输入端相连，因此信号波形看上去是反相的。RS为6mΩ，电压档位选择1V/div，峰值电压为2400mV或400A。电流波前并不像接触良好时一样陡峭。

图5. 电路未作改动时具有400A峰值短路电流

观察图6所示的电压信号波形有助于加深理解，图中给出了短路时的输出电压、M1栅极电压波形以及RS两端的电压。所有电压均以+12V输入为参考。

图6. 电路未作改动时的短路电压和电流波形

VOUT - VIN信号波形显示，短路期间VOUT下降了7V，这表明短路阻抗只略低于总电路阻抗的?。更低阻抗的短路故障会产生高于400A的峰值电流。信号波形还表明在开始的300ns内短路不是完全牢固可靠；这导致了VSENSE信号波形缓慢下落。

由VGATE波形可以看出，最初VGS = 7V，由于VOUT下降，1μs后增至10V左右。5μs后VGS仅降至9V，20μs时降至6V，33μs时降至4V。由于放电电流仅为3mA，因此栅极放电缓慢。这样一来，发生短路故障后27μs内短路电流仍为100A。

图2的快速栅极下拉电路不大会降低最初的短路电流，但PNP型达林顿管下拉会迅速终止电流信号波形。这种配置下的短路电流信号波形如图7所示，峰值电流仍为2400mV或400A，但快速比较器在370ns触发后，电流可在50ns内阻断。还应注意，短路电流信号波形是非常陡峭的，表明机械短路非常可靠。

图7. 快速下拉电路的短路电流波形

当电路电容给输入电容充电时电源电流发生反向，并导致+12V输入端出现一个小幅正向过冲。

图3的快速短路峰值电流限制电路在限制峰值电流以及短路电流持续时间方面均有效。如图8所示，RS (6mΩ)两端的电压峰值为600mV，对应100A峰值电流。短路电流阻断极其迅速，电流脉冲在200ns内完全终止。

图8. 改进后热插拔控制器电路的短路电流脉冲

利用该技术可将背板电源干扰降至最低，如图9所示，会在测试方法一节中提到的+12V电源上产生小于±500mV的峰值电压干扰。

图9. 图3电路发生短路时引起的背板干扰

再次看到陡峭的电流波前，表明这是一个质量非常高的短路状态。遗憾的是，很难复现这样的陡峭电流波形。
那么发生了什么?
PNP-NPN检测/下拉电路终止短路电流(然后解除控制)如此迅速，以至于MAX4272快速比较器没有足够的时间触发(响应时间 = 350ns)。图10显示了500μs时段的VGS信号波形(短路开始后450μs)。由于100μA的栅极充电电流仍然存在，已经被放电的栅极电压又开始上升。大约130μs后，栅极电压被充分充电(3V)，VOUT升至大约1V，这时短路电流再次开始流动。重新充电的过程很慢，足以使快速比较器在电流为33A时触发(200mV/6mΩ)，IC将执行关断和闭锁操作。

图10. 短路情况下 VGS的时间压缩视图
结论
当热插拔控制电路发生短路故障时，本文讨论的两种电路都可以通过限制功耗来保护背板电源。图2所示的简单电路能够将短路电流持续时间缩短到500ns以内；图3电路稍微复杂些，但可将短路电流限制在100A以内，并且短路电流脉宽小于200ns。

以上任何一种技术都适用于大多数热插拔控制电路。

取决于电源内阻、短路阻抗以及短路故障本身的特性和故障发生时间，个别测试结果会存在一定差异。

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