探索MAX5913A/MAX5914A：+48V 四路热插拔控制器在PoE中的应用

在当今的网络通信和电信领域，Power-over-Ethernet（PoE）技术的应用越来越广泛，它能够在以太网上同时传输数据和电力，为网络设备的部署和管理带来了极大的便利。MAX5913A/MAX5914A作为Maxim公司推出的+48V四路热插拔控制器，为PoE系统提供了强大而可靠的解决方案。

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一、产品概述

MAX5913A/MAX5914A是一款四路热插拔控制器，能够独立控制四个外部n沟道开关，实现从单一VCC电源线对系统负载进行热插拔操作。这意味着在不中断网络运行的情况下，用户可以安全地插入和移除电力设备，大大提高了系统的可维护性和灵活性。其工作电源电压范围在+35V至+72V之间，适用于Power-Over-Media-Dependent Interface（MDI）等多种应用场景。

二、产品特性

1. 宽输入电压范围

支持+35V至+72V的宽输入电压范围，能够适应不同的电源环境，为系统设计提供了更大的灵活性。

2. 符合IEEE 802.3af标准

确保与PoE标准兼容，能够与各种符合标准的网络设备无缝对接。

3. 四路独立电源开关控制器

每个通道都可以独立控制，实现对多个负载的精确管理。

4. 开路检测器

能够实时检测负载是否开路，当检测到开路时，及时关闭相应的开关，保护系统安全。

5. 片上电荷泵

用于驱动外部n沟道FET，提供足够的驱动能力，确保开关的可靠动作。

6. 电流检测功能

通过外部电阻实现电流检测，能够精确监测负载电流，为系统的保护和控制提供依据。

7. 折返式电流限制

当负载电流超过设定的阈值时，控制器会自动降低电流限制，减少外部功率FET在输出过载和短路情况下的功耗，提高系统的可靠性。

8. +32V输入欠压锁定

当VCC电压低于+32V时，FET不会开启，防止在低电压下设备异常工作。

9. 片上+12V、100mA电压继电器驱动器

能够驱动低电压+3.3V继电器，为系统的控制和保护提供更多的选择。

三、电气特性

1. 电源供应

• 模拟电源电压（VCC）：测量范围为35V至72V，确保在不同的电源环境下正常工作。
• 模拟电源电流（IS）：在不同的温度和电压条件下，电流范围有所不同，能够满足系统的功耗需求。
• 数字电源电压（VDD）：范围为2.5V至3.7V，为数字电路提供稳定的电源。
• 数字电源电流（IDD）：当所有逻辑输出为高且RTIM未连接时，电流范围为1.1mA至3mA。

2. 反馈输入和电流检测

• 输出检测偏置电流（IFP）：当VOUT_等于VCC时，电流为2µA。
• 初始反馈电压（VFB_S）：折返电路开始降低电流限制值的电压为18V。
• 电流限制阈值电压（VSC）：在VOUT > VFB_S时，RSENSE上的最大∆V为125mV至160mV。
• 折返电压（VFLBK）：在VOUT = 0V时，RSENSE上的最大∆V为42mV至54mV。
• 快速放电阈值（VFC）：范围为360mV至480mV。
• 开关导通阈值（VSWON）：当开关完全导通时，VCC - VOUT的最大值为1.2V至1.8V。
• 开关导通比较器迟滞（VSWON_H）：为160mV。

3. MOSFET驱动器

• 栅极过驱动电压（VGS）：当开关完全导通时，VGATE - VCC的范围在不同温度下有所不同，确保MOSFET能够充分导通。
• 栅极充电电流（IGATE）：当VGATE = 0V时，电流为7µA至13µA。
• 栅极放电电流（IGATE,DIS）：在不同条件下，电流值有所不同，能够快速放电，实现开关的快速关断。
• 源极 - 栅极钳位电压（VSGZ）：当VOUT_ = 0V且向GATE_注入30mA电流时，电压为14V至18V。

4. 开路检测器

• 开路电流阈值电压（VOC）：检测开路的RSENSE上的最小∆V为1.5mV至4.5mV。
• 开路检测延迟（tOC）：范围为450ms至1350ms。
• 消抖延迟（tLPFD）：当（VCSP_ - VDRAIN__） < VOC时，延迟为106ms至302ms。

5. 继电器驱动器

• 最大低电压（MAX5913A）：当RLYON为高且IRLYD_ = 100mA时，VRLOW为0.5V。
• 继电器上拉电流（MAX5914A）：当RLYON为高且VRLYD_ = 0V时，IRPLUP为0.3mA至1.3mA。
• 钳位二极管电压（VRCLAMP）：当向RLYD注入100mA电流时，VRLYD - VRLY为2V。
• 继电器输出泄漏电流：当RLYON为低且VRLYD = VRLY时，电流为1µA。

6. 时序

• 短路和启动定时器（tO）：通过连接不同阻值的电阻到RTIM，可以设置不同的tO值，范围从3.2ms至180ms。
• 自动重试占空比（DC）：可以通过设置DC引脚的电平来调整自动重试的占空比，分别为1%、2%或4%。
• 端口导通延迟（tON_DEL）：当VON = 3.3V时，延迟为12.8ms至38.4ms。
• 继电器关断延迟（tOFF_DEL）：在RLYON_变低后，延迟为1.6ms至4.8ms。

7. 数字接口

• DC引脚输入高电压（VIH_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V时，为0.7 x VDD。
• DC引脚输入低电压（VIL_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V时，为0.3 x VDD。
• DC引脚输入阻抗（RIN_DC）：为1kΩ。
• 逻辑输入高电压（VIH）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V时，为0.8 x VDD。
• 逻辑输入低电压（VIL）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V时，为0.3 x VDD。
• 逻辑输入泄漏电流：为1µA。
• FAULT输出低电压（VFL）：当ISINK = 4mA时，为0.4V。
• FAULT高输入泄漏电流：为1µA。
• 逻辑输出高电压（VOH）：当STAT_输出源出0.5mA时，为VDD - 0.4mV。
• 逻辑输出低电压（VOL）：当STAT_输出吸入0.5mA时，为0.4V。

四、引脚描述

MAX5913A/MAX5914A共有44个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下是一些重要引脚的介绍：

1. FAULT

有源低故障输出，当任何一个通道检测到故障时，该引脚输出低电平。

2. STAT1 - STAT4

状态输出，根据STATOUT引脚的状态，可指示Power-OK或Port-OC状态。

3. CSP1 - CSP4

电流检测正输入，连接到VCC，并在CSP_和DRAIN_之间放置电流检测电阻。

4. DRAIN1 - DRAIN4

MOSFET漏极电流检测负输入，连接到功率MOSFET的漏极。

5. OUT1 - OUT4

MOSFET源极输出电压检测，通过100Ω串联电阻连接到功率MOSFET的源极。

6. GATE1 - GATE4

MOSFET栅极驱动器输出，调节栅极驱动电压以完全导通功率n沟道MOSFET。

7. VRLY

继电器电源电压输入，参考DGND。

8. RLYD1 - RLYD4

继电器驱动输出，MAX5913A的RLYD_在继电器驱动器启用时吸入100mA，MAX5914A的RLYD_在继电器驱动器启用时源出1mA。

9. DGND

数字地，所有逻辑电压都参考DGND。

10. AGND

模拟地，所有模拟电压都参考AGND。

11. VCC

模拟电源，连接到+35V至+72V的电源，当VCC < VUVLO时，UVLO电路会关闭MOSFET开关和继电器。

12. OCEN

开路检测器使能输入，高电平启用开路检测器，低电平禁用。

13. STATOUT

状态输出多路复用器（MUX）控制输入，控制STAT_输出的信号。

14. RTRYEN

自动重试使能输入，高电平启用自动重试，低电平启用开关锁存关闭模式。

15. DC

占空比编程输入，设置过流条件锁定开关后的最小关断时间。

16. RLYON1 - RLYON4

继电器驱动器控制输入，高电平启用RLYD，低电平关闭相应通道的MOSFET开关并禁用RLYD。

17. ON1 - ON4

MOSFET开关控制输入，高电平启用GATE_以打开MOSFET开关，RLYON_必须为高才能启用开关。

18. RTIM

定时振荡器频率设置输入，通过连接2kΩ至40kΩ的电阻到DGND来设置最大连续过流时间tO。

19. VDD

数字电源，通过1µF电容旁路到DGND。

五、工作原理

1. 开关和继电器控制

通过ON_输入可以控制相应的MOSFET开关的导通和关断。当RLYON_为高且VCC > VUVLO超过25.6ms时，驱动ON_为高可以打开开关。驱动RLYON_为高会立即打开相应的继电器，并在25.6ms延迟后激活对应的ON_输入。驱动RLYON_为低会立即关闭开关，并在3.2ms延迟后关闭继电器，确保继电器在零电压和零电流条件下动作，提高系统的可靠性。

2. 输入电压和UVLO

MAX5913A/MAX5914A的工作电源电压范围为+35V至+72V，VCC为模拟电路供电，并在启动和正常运行期间持续监测。在VCC上升到VUVLO以上之前，所有MOSFET开关和继电器驱动器都保持关闭状态。当VCC下降到VUVLO - VUVLO,H以下时，所有MOSFET开关和继电器驱动器会关闭。

3. 启动过程

当满足导通条件时，MAX5913A/MAX5914A通过一个恒定电流源IGATE（典型值为10µA）对外部MOSFET开关的栅极进行充电，缓慢打开开关。输出电压的上升斜率由连接到该节点的总栅极电容CGATE决定。如果输出连接有电容负载，通过FET的总电流为(I = I{GATE} frac{C{L}}{C{GATE}} + I{L})，其中(C{L})是负载电容，(I{L})是启动阶段连接到输出的任何负载所需的电流。当通过FET的电流达到编程的电流限制值时，内部电流限制电路会激活并调节FET电流为一个取决于VOUT的ILIM值。如果过流条件持续超过最大时间tO，开关会被锁定关闭，GATE_会通过1mA下拉电流放电到地。如果启用了自动重试功能，开关会在等待一段时间tOFF后再次打开，tOFF由编程的占空比决定。启动后，内部电荷泵提供（VCC + 9V）的典型栅极过驱动电压，以完全打开开关。当开关完全导通（开关两端的电压降≤1.5V）且开关不在电流限制状态时，POK信号会被置位。

4. 电流检测和调节

MAX5913A/MAX5914A使用两个电压比较器（双电平检测）来控制端口电流，通过检测外部电流检测电阻上的电压降来实现。第一个比较器将检测到的电压与VSC阈值（典型值为142.5mV）进行比较，根据(R{SENSE} = V{SC} / I{MAX})选择合适的检测电阻，其中(I{MAX})是允许通过开关的最大电流。当达到(I_{MAX})时，折返式电流限制电路会根据VOUT调节电流限制。当VOUT接近零时，检测电阻上的最大电压降会降低到最小值（典型值为48mV），这有助于减少外部功率FET在输出过载和短路情况下的功耗。第二个比较器的检测阈值为3VSC，当出现瞬间电流峰值使外部FET过应力时，会激活一个15mA的栅极下拉电流，帮助调节更快地起作用。检测电阻还用于检测开路或低电流条件，典型阈值为3mV。

5. 开路检测

MAX5913A/MAX5914A能够检测端口是否存在低电流或开路情况，并关闭相应的开关。开关打开且满足POK条件后，开路检测器会在900ms延迟后启用。开路电压阈值设置为电流检测电阻上的3mV。通过驱动OCEN为高可以启用所有四个端口的开路检测器，驱动OCEN为低则禁用检测器。当STATOUT为低时，可以从STAT_输出读取每个端口的开路标志，STAT_输出高表示该端口因开路条件而被锁定关闭。要重置锁定状态，需要将相应的ON_输入拉低再拉高。

6. 输出电压检测和Power-OK

MAX5913A/MAX5914A在外部MOSFET开关的源极检测端口的输出电压，内部电路将输出电压与VCC进行比较，以确定FET是否完全导通。当((V{CC} - V{OUT}) leq 1.5V)时，满足POK条件。内部电路还会监测VOUT，以确定电路进入电流限制状态时的折返电流值。随着输出电压的降低，电流限制值会减小，以限制FET的功耗。

7. 继电器驱动器

MAX5913A/MAX5914A包含片上继电器驱动器RLYD_，能够吸入100mA电流。当RLYON_为高时，立即启用继电器驱动器，对应的ON_开关控制输入会延迟25.6ms，以允许继电器在零电压条件下闭合。当RLYON_为低时，立即关闭相应的开关，并在3.2ms延迟后关闭继电器驱动器，确保继电器触点在零电流条件下打开。MAX5913A的RLYD_极性与MAX5914A相反，MAX5913A的RLYON_输入置位时，RLYD_向DGND吸入100mA电流；MAX5914A的RLYON_为高时，内部1mA电流源将RLYD_上拉到VDD。在RLYD和VRLY之间内部连接了一个100mA的钳位二极管，以保护MAX5913A/MAX5914A免受继电器线圈的感应冲击。VRLY必须连接到高端继电器电源电压。

8. 可编程时序，RTIM

通过连接一个2kΩ至40kΩ的外部电阻从RTIM到DGND，可以设置内部振荡器的频率，tO和自动重试时间基于该频率。计算公式为(t{O} = (R{RTIM} / 2kΩ) × 6.4ms)。如果RTIM未连接，内部电阻会将tO设置为标称值6.4ms。

9. 自动重试和可编程占空比

MAX5913A/MAX5914A具有可调节占空比的自动重试功能。驱动RTRYEN为高可以启用自动重试功能。当开关遇到过流时间超过tO时，开关会关闭，并保持关闭状态tOFF，tOFF由DC这个三电平输入编程。tOFF周期结束后，开关会自动再次打开。当端口遇到连续过载或短路情况时，开关会根据DC输入状态以1%、2%或4%的占空比反复打开和关闭。当RTRYEN为低时，自动重试功能禁用，开关出现故障时会关闭并保持锁定关闭状态。驱动相应的ON控制输入为低可以重置锁定状态，将ON拉高可以打开开关。不过，MAX59