基于IC的热插拔电路保护的优势

有许多方法可以保护系统免受静电放电 （ESD）、浪涌电流、过流、欠压、过压和其他电源中断的影响。UL、USB、IEEE、CSA 或 IEC 等行业、公司或监管标准通常需要电路保护。本应用笔记讨论热插拔IC。介绍了典型的热插拔电路，并解释了不同热插拔电路的优点。

热插拔电路的基础知识

热插拔电路可保护设备、人员或两者兼而有之。例如，某些电源具有内置和可调电流限制（热插拔电路中的标准配置），可防止在热插拔事件期间损坏电源和供电电路。典型的 RAID 和电信系统具有热插拔功能，可即时更换电路板或磁盘驱动器。

热插拔至少要求您限制浪涌电流，以防止在大容性负载通电时出现系统范围的掉电。限流还有助于减小源电源的尺寸，并限制连接器触点处的电弧。其他热插拔特性包括：低串联电阻、断路器动作、状态指示、双插入点检测和电源良好信号。

热插拔 IC 等保护电路增加了组件和成本，同时增加了设计和测试系统的时间。尽管如此，这些缺点必须与与未受保护的系统相关的无形成本（在设计人员心目中并不总是最重要的）进行权衡：设备损坏、系统停机、人身伤害和由此产生的诉讼、更换和维修成本、技术人员工资。这个清单可以继续下去。

热插拔功能的引入可以通过允许更小的主电源来立即抵消系统成本。降低电源必须提供的浪涌电流水平允许更小的滤波电容器和更小的电源。其他优点包括更小尺寸的布线和电路走线、更小和更便宜的电路连接器，以及电源路径中通常更小的组件。

最简单的限流元件是保险丝，可以单独使用，也可以与其他保护元件结合使用。由于保险丝可有效防止过电流，因此它们要么是必需的（例如，在UL批准的电路中），要么作为发生灾难性故障时的最后保护。

对于标准保险丝，主要的缺点是它们的一次性使用。另一种选择是polyfuse，这是一种类似的设备，根据流过它的电流产生的热量进行物理膨胀和收缩。与温度相关的聚保险丝具有有限的电压工作范围，但它可以自行复位，这是与标准保险丝相比的优势。

典型热插拔电路

电容器-齐纳-场效应管组合

热插拔应用中的常见电路是电容-齐纳-FET 组合（图 1a 和 1b）。该电路通过在Q1的栅源结上对C1充电来限制浪涌电流。假设C1在通电时放电，电路通过在栅源结两端充当短路来保持Q1关断。当 C1 充电时，V一般事务人员增加并允许 Q1 缓慢打开。C1 和 V 的尺寸一般事务人员Q1的特性决定了Q1导通负载电容（C2）和充电的速度。

图 1a.分立式“电容齐纳FET”热插拔电路使用C1的充电速率来控制Q1的导通。如图1b的示波器图所示。

图 1b. CH1 为负载电流;CH2是Q1栅极电压。

在图1中，齐纳二极管ZD1可防止Q1栅源结超过其最大额定值。（请注意，V一般事务人员图1a中的最大值（±20V）太小，无法承受24V工业或48V电信应用。如果快速循环电源，负载电容可以放电，同时C1保持足够的电量以维持Q1导通。这种情况会削弱限流功能，从而在恢复电源时允许较大的电流浪涌。电容齐纳FET拓扑还有另一个缺点：电流限制仅在上电期间激活，并且仅在C1放电时激活。一旦通电，电路就不能防止过流和短路情况。保险丝通常用于此目的。

PNP 晶体管和检流电阻器

另一个用于热插拔应用的电路（图2a和2b）使用PNP晶体管（Q1）和电流检测电阻（R1）来提供连续电流检测和限制。当通电时，电流通过R1和Q2流向负载。流经R1的电流产生V型是Q1的偏置电压。如果电流大到足以使Q1偏置导通，则Q1通过降低Q2的栅极-源极电压来限制通过Q2到负载的传导。请注意，可以在Q2的栅源结上添加一个齐纳二极管（如图1a所示），以防止Q2和V过压行政长官第一季度细分。

图 2a.另一个热插拔电路通过PNP晶体管（Q2）实现电流检测和1A限制。图2b中的导通波形说明了这一点。

图 2b. CH1 是最新的;CH2是Q2栅极电压。

与图1a不同，该电路的一个优点是电流限制始终使能。这种积极的特性也有一个缺点：R1与负载串联时增加了功耗。此外，由于Q20的V，电流限制可能会变化多达±1%是温度范围从 -40°C 到 +85°C 不等。 图1a（以及图2a，如果添加）中的齐纳二极管应足够小以保护晶体管，但又足够大，以使FET具有ID同时最小化 RDS（ON）.

热插拔电路的优势

基于IC的热插拔电路在小型封装中提供了许多功能，并且只需要很少的外部元件。例如，图3a显示了一个低压热插拔应用，该应用只需要一个检流电阻（R1）和串联调整元件（Q1），工作电压范围为2.7V至13.2V。该电路提供浪涌电流限制（图3b）和双路过流故障保护，包括MAX4370对高振幅电路故障的快速响应和对低幅度、破坏性过流条件的慢响应。

图 3a.使用MAX4370的基于IC的热插拔电路具有更高的精度，使用很少的元件。

图 3b.注意 I 的限制负荷在启动波形的示波器图中。数据由MAX4370热插拔控制器产生。

MAX4370具有连续电流监测功能，图2a电路也是如此。然而，基于MAX4370的版本比图2a的分立版本具有更好的初始精度和更好的温度性能。图2a中的PNP晶体管具有典型的V是漂移为2mV/°C，从+120°C开始，在-40°C至+85°C范围内产生近似±25mV的输出变化。 然而，图4370a中的MAX3对于慢速和快速限流比较器的最大漂移分别为±6.5mV和±20mV。

晶体管很少指定V是，但MAX4370的电压跳变点定义明确且低得多：50mV千，是V的十二分之一是在 0.6V 时。结果是检测电阻更小，功率损耗更小。此外，基于IC的电路可以完成图1a和2a电路无法做到的事情：

利用成本更低的 n 沟道 MOSFET

提供状态输出

响应低级和高级故障条件

提供电源控制引脚 （ON），适用于负载控制或双卡插入引脚检测

提供自动重试和锁存故障管理

提供I²C兼容接口

检测过热并提供热关断

支持多电压系统和特定应用，如 PCI-Express 标准®

图4370a中的MAX3还可用作断路器，在检测到故障时闭锁负载断电。如果应用需要自动重试或15V电感反冲保护，可以替代MAX4272或MAX4273热插拔控制器。

与分立电路相比，基于IC的高压热插拔电路可以节省空间。像MAX23（图5902a和4b）这样的SOT4尺寸控制器工作在9V至72V电压，只需一个外部p沟道MOSFET （Q1）即可基本工作。该电路不需要检流电阻来限制浪涌电流或检测故障条件。相反，它采用R作为电流检测元件DS（ON）p沟道MOSFET （Q1）。

图 4a.MAX5902等专用热插拔IC简化了应用。

图 4b.导通波形以 2ms/div 表示。数据由MAX5902产生。

MAX5902控制器在首次通电时保持MOSFET关断。如果ON/OFF引脚保持低电平，电源电压低于欠压锁定（UVLO）电平，或者芯片温度超过+125°C （典型值），则它无限期地保持关断状态。如果内置导通延迟到期（典型值为150ms，典型值）时，这些条件均不适用，MAX5902逐渐导通Q1。在此导通阶段，控制器缓慢增强Q1，允许负载上的电压（Q1漏极）以9V/ms的典型速率上升。

因此，流向负载的浪涌电流被限制在与负载电容和恒定压摆率成比例的水平：I限制（典型值）= C负荷× 9V/ms在Q1完全增强并且负载电压稳定到其最终值后，Q1两端的压降（I负荷×·DS（ON））由MAX5902监测故障。如果压降超过断路器的阈值，控制器将关闭Q1并立即断开负载。

与分立元件电路不同，图4a电路具有热关断保护、UVLO保护、带ON/OFF引脚的关断和电源良好（P好） 状态信号。MAX5902提供或不带断路器功能，断路器提供自动重试或闭锁选项。

要实现接受-9V至-100V的系统，如电信应用中的-48V，可以用MAX5900或MAX5901热插拔控制器代替MAX5902。

单个基于IC的热插拔控制器可以取代许多分立元件和微处理器监控IC;它还可以支持多个输出并添加排序/跟踪功能。MAX5927为四通道热插拔控制器，可保护便携式计算机设备等多电源系统。它允许设计人员将输入电压轨配置为按顺序打开/关闭、相互跟踪或独立工作。

图5.单个热插拔IC控制多电源应用中的四个不同电源轨。

在更复杂的应用中，需要保护多个电源轨并应考虑特定要求，因此不能选择采用分立元件设计的电路。专为特定应用设计的基于 IC 的热插拔控制器可提供所需的功能，并根据需要控制整个系统。例如，MAX5915/MAX5916允许将PCI卡安全地插入和拔出带电PCI插槽或背板。这些 IC 通过少量外部组件为两个 PCI 卡的 3.3V、5V、±12V 和 3.3V 辅助电源提供独立的电源控制。MAX5943为将FireWire外设安全插入和拔出到带电的FireWire端口提供了简单而可靠的解决方案。该 IC 只需两个外部 MOSFET 和一个检测电阻即可实现基本操作，同时为 FireWire 应用提供完全集成的电源管理控制。®®

总结

与分立控制器相比，IC热插拔控制器具有许多优势。虽然分立电路的成本低于热插拔IC，但在鲁棒性、停机时间和维修成本方面，它们对整个系统的成本可能更高。事实上，更大的主电源和更坚固的布线和连接器只是与分立元件相关的一些有形成本。热插拔IC具有分立式设计所缺乏的优势：用于负载控制和电路板插入检测的STATUS输出、热关断、UVLO和关断（开/关）输入。

审核编辑：郭婷