具有上电超时功能的热插拔控制器简化了具有多个电源的热插拔板

LTC®4212 是一款热插拔控制器，其允许在带电背板上安全地插入和拔出电路板。该器件具有 2.5V 至 16.5V 的电源范围、带浪涌电流限制的可编程软启动、自动重试或锁存模式操作、用于外部 N 沟道 MOSFET 的高端驱动和双电平过流故障保护。

与许多热插拔控制器不同，LTC4212 并不直接监视 MOSFET 的负载侧。相反，LTC4212 与外部电源监视器 IC 接口，或直接与开关稳压器的 PGOOD 引脚接口。这允许 LTC4212 监视电路板上任意数量的电源。它具有上电超时功能，当受监控电源未在可编程超时周期内上电时，该功能可将卡与背板电源断开，并具有毛刺滤波器，用于在正常上电后抑制受监控电源中的短期毛刺。

图 1 示出了一个典型应用，该应用使用 LTC1727-2.5V 来监视两个 LDO （LT1963） 的输出和外部 N 沟道 MOSFET 源极 （负载） 上的 5V 输出。

图1.具有上电超时和毛刺滤波功能的热插拔控制器。

上电超时功能

LTC4212 具有一种上电超时功能，该功能通过 3 个引脚实现：PGI、PGT 和 PGF。PGI （或电源良好输入） 引脚是一个高阻抗输入引脚，通常连接到电源监视器 IC （如 LTC1727）的 RST 或 COMPn 引脚，或一个或多个 DC/DC 转换器的 PGOOD 引脚。由于 RST、COMPn 和 PGOOD 引脚通常是漏极开路引脚，因此 LTC4212 只需将漏极开路引脚连接在一起即可监视任意数量的电源。PGI引脚在监视漏极开路引脚时需要一个上拉电阻（图4中的R1）。

电源良好定时器

一个外部电容器 （CPGT） 从 PGT （电源就绪定时器） 引脚连接到地，设定上电超时周期，LTC4212 在该周期结束时对 PGI 引脚进行采样。超时周期为 1.81s/μF，假设采用理想电容器，则精度在 ±10% 以内。电源良好定时器对C 进行充电和放电PGT在 0.65V 至 0.95V 之间，使用 5μA 电流源 14 个周期来产生超时周期。如果采样时PGI引脚小于1.236V，则PGT触发电子断路器（ECB）。这会导致GATE引脚立即被拉至地，以断开电路板与背板电源的连接，并且FAULT引脚变为低电平，以指示ECB跳闸。

电源良好毛刺滤波器

另一个外部电容器 （CPGF） 从 PGF（电源良好滤波器）引脚连接到地，设置 PGI 引脚的毛刺滤波器的持续时间。正常上电后，毛刺滤波器使能，以抑制PGI引脚上的任何短期脉冲。CPGF只要PGI引脚为低电平，就由一个5μA上拉电流源充电。当受监控电源跌落失稳压时，PGI引脚变为低电平，VPGF开始加速。当它升至1.236V以上时，毛刺滤波器触发ECB。栅极引脚立即被拉至地，故障引脚变为低电平。

电子断路器

电子断路器 （ECB） 可能会因过流故障、电源良好超时故障或毛刺滤波器故障而跳闸。当 ECB 跳闸时，GATE 引脚立即被拉至地，以断开电路板与背板电源的连接。每当 ECB 跳闸时，FAULT 引脚都会被拉低。为了重新连接电路板，ON引脚必须保持低电平至少120μs，以复位ECB或V抄送必须低于2.2V，持续30μs以上。

过流保护

通过监测外部检测电阻两端的电压来检测负载电流（R意义在图 1 中）。上电期间，软启动电路将负载电流限制在 50mV/R意义.正常上电后，2个比较器FASTCOMP和SLOWCOMP监视负载电流。如果负载电流超过 150mV/R，FASTCOMP 会跳闸 ECB意义500ns 并保护外部 MOSFET 和负载免受快速和大过流条件的影响。如果负载电流超过 50mV/R，SLOWCOMP 会跳闸 ECB意义超过18μs。

典型应用

图 1 示出了 LTC1727-2.5 三通道电源监视器，它提供了三个比较器来监视 VCCA、VCC3 和 VCC25 引脚上的电压。每个比较器在50μs内响应10%的过驱，响应时间随过驱而缩短。当过驱为1%时，响应减慢至150μs。对于VCC3和VCC25，每个比较器的最大跳变点为–5%，对于VCCA，每个比较器的最大跳变点随R5和R6而变化。将R5设置为11.8k，将R6设置为3.01k，将VCCA比较器的跳变点设置为4.75V或5V–5%。当三个受监控电源中的任何一个低于–5%约60μs时，相应的漏极开路输出COMP3、COMP25或COMPA被拉低。在图 1 中，所有三个漏极开路输出均短接至 LTC4212 的 PGI 引脚，并共用一个上拉电阻器 R4。

LT®1963-2.5 和 LT1963-3.3 是快速瞬态响应 LDO 稳压器，能够在 1.5V （+2%， –5.3%） 和 3.5V （±3%） 的电压下分别提供 3.3A 的输出电流。为了防止振荡，需要10μF的最小输出电容（ESR为3Ω以下），并且可能需要更大的电容来限制纹波或改善大瞬态负载下的瞬态响应。

正常上电顺序

图2显示了空载2.5V、3.3V和5V输出的正常上电时序。当 V抄送上升到 2.2V 以上且 ON 引脚大于 1.316V，LTC4212 启动第一个定时周期。一个 1μA 电流源为一个外部电容器 （C定时器） 从定时器引脚连接到地。当 V定时器升至1.236V以上，TIMER 引脚立即被拉至地，C定时器出院。启动第二个定时周期并启用 FASTCOMP。

图2.正常上电顺序（无负载）。

在第二个定时周期内，LTC4212 中的软起动电路利用 GATE 引脚来调节 50mV/RSENSE 的浪涌电流。2μA 电流源重新使能以对 CTIMER 充电。从第二个周期开始，GATE在大约7ms内上升到最终值。线性稳压器的输出在1ms内上升。在第二个定时周期结束时（当VTIMER再次升至1.236V以上时），软启动电路被禁用，一个10μA电流源继续上拉GATE引脚。同时，SLOWCOMP 被使能，定时器引脚被拉回地，LTC4212 启动电源就绪定时器。超时时，对PGI引脚进行采样。在图 2 中，PGI 在超时之前就达到高电平 （>1.236V），电路板保持正常上电状态。由于PGI引脚仅在超时时采样，因此电源斜坡期间PGI引脚的任何瞬变都将被忽略。

图3所示为2.5V和3.3V输出负载1A时的正常上电时序。

图3.带负载上电。

带故障序列的上电

图4显示了5V板电源输出VCCA短路时的上电情况。在第二个定时周期中，栅极电压最初上升到FET刚导通的程度。之后，由于软启动电路的作用，它将负载电流限制在50mV/RSENSE或大约7A，因此变平。VCC 背板电源骤降 0.5V，原因是互连中的 7A 电流流入 5V、10A 限量电源。在第二个周期结束时，软启动电路被一个10μA上拉电流源取代。这会使FET的栅极斜坡上升，负载电流上升，直到SLOWCOMP跳闸ECB。当快速下拉电路被激活时，栅极电压在1μs至2μs内下拉。杂散电感导致 VCC 电源在负载电流端接时出现尖峰。当 ECB 跳闸时，电源良好定时器和毛刺滤波器被禁用。

图4.上电时，5V 输出短路至 GND。

如果任何LDO输出短路至地，LDO中的短路保护可降低故障电流，并且电路板在第二个定时周期后不会闭锁。如图5所示，电源良好定时器在超时时对PGI引脚进行采样，并在PGI为低电平时触发ECB。GATE引脚立即被拉至地，以断开电路板与背板电源的连接。

图5.上电时，3.3V输出短路至GND。

图6显示了毛刺滤波器在正常上电后对20V输出端5μs过载的响应。LTC1727-2.5 中的比较器在 5V 电源或任何 LDO 输出降至其下限阈值以下时将 PGI 降至低电平。毛刺滤波电容（CPGF） 在 PGI 变为低电平时由一个 5μA 上拉电流源充电。第一个PGF斜坡是由于20μs过载，但VPGF不会斜坡超过1.236V。第二个脉冲是5V线性稳压器从过载中恢复所需的时间的结果，并且足够长V。PGF斜坡上升到1.236V以上，导致毛刺滤波器使ECB跳闸。GATE引脚立即被拉到地，以断开电路板与背板电源的连接。如果PGF引脚接地，PGF引脚将永久保持在1.236V以下，并且毛刺滤波器被有效禁用。将 PGF 接地会导致 LTC4212 在正常上电之后忽略一种低 PGI 状态。

图6.毛刺过滤器操作。

与 RST 引脚接口

LTC4212 的 PGI 引脚可连接至 RST 引脚，而不是 LTC1727-2.5 的 COMPx 引脚。与 COMPn 引脚相比，RST 引脚延迟 200ms，必须调整 CPGT 以包括 200ms 延迟，电路板才能正常上电。此外，如果被监控电源上的任何瞬变超过LTC1727-2.5中比较器的响应时间，都将导致RST变为低电平至少200ms。这会导致毛刺滤波器使 ECB 跳闸。

自动重试应用程序

图7显示了一个应用，该应用在ECB因负载电源输出短路而跳闸后自动尝试为电路板上电。该电路使用 LTC1326-2.5 电源监视器芯片，并将其 RST 输出连接至 LTC4212 的 PGI 引脚。在所有监控电压上升到 LTC1326-2.5 中 VCCA、VCC3 和 VCC25 比较器的门限以上后，RST 信号变为高电平 200ms。ON引脚短路至FAULT引脚，并由一个1MΩ电阻（RAUTO）上拉至VCC。从RAUTO下端连接到地的2μF电容（CAUTO）设置了自动重试占空比。只要短路持续存在，LTC4212 就会重试。必须选择RAUTO和CAUTO以保持较低的占空比，以防止外部N沟道MOSFET过热。

图7.自动重试应用程序。

图8显示了5V输出短路至地时的自动重试周期。SLOWCOMP在第二个计时周期后使欧洲央行跳闸。这会导致 FAULT 引脚被内部 N 沟道 FET 拉低，CAUTO 被放电至地。GATE引脚立即被拉到地以断开电路板的连接。请注意，在图8中，时基设置使第一个和第二个时序周期显示为单个尖峰。当ON引脚低于其0.455V（典型值）的下限阈值超过120μs时，ECB复位。FAULT 引脚上的内部 N 沟道 FET 关断，RAUTO 开始向 VCC 缓慢充电。

图8.5V 输出短路时自动重试。

当 ON 引脚上升到其 1.316V 的上限门限以上时，LTC4212 尝试重新连接电路板并开始第一个定时周期。如图8所示，在5V输出端出现死短路时，当软启动电路被禁用并且一个10μA上拉电流源连接到GATE引脚时，ECB在第二个定时周期后跳闸。重复整个循环，直到短路被移除。每个周期的持续时间取决于在ON引脚的下限和上限阈值电压之间对CAUTO充电所需的时间。当RAUTO = 1MΩ和CAUTO = 2μF时，周期时间为800ms。开关导通约6ms，占空比为0.75%。

在第二个定时周期结束时，由于软启动电路的作用（将电流限制在50mV/RSENSE）和5V输出端存在短路，GATE引脚约为3V。10μA 电流源需要几毫秒才能使 3.3nF 的 GATE 引脚电容斜坡上升。因此，SLOWCOMP倾向于绊倒欧洲央行而不是FASTCOMP。

当任一LDO的输出短路上电时，LDO中的短路保护可降低故障电流。在电源良好超时周期结束时，由于短路，PGI引脚仍然很低。如图9所示，如果过载不足以使SLOWCOMP和FASTCOMP跳闸，则外部N沟道MOSFET在每个自动重试周期中导通较长时间。当 RAUTO = 1MΩ 和 CAUTO = 2μF 时，占空比增加到 29%，导致 LT1963-2.5 LDO 在 25°C 的环境温度下加热至 106°C 的外壳温度。 在较高的环境温度下工作时，需要更大的CAUTO值。Si4410DY MOSFET 由于其低 RDS（ON） 而不会明显发热。

图9.LDO输出短路时自动重试。

如果 LDO 输出端的瞬态短路足够长，导致 LTC1326-2.5 中的监视比较器 （典型延迟为 13μs） 切换，则 RST 输出将变为低电平至少 200ms。如图 10 所示，电源良好毛刺滤波器触发 ECB 并启动自动重试周期。

图 10.由 2.5V 输出的瞬态短路引起的自动重试。

结论

LTC4212 简化了具有多个电源的热插拔板的设计。电源 IC 或电源监视器 IC （例如 RST、PGOOD 和 COMPn） 的状态输出通常是漏极开路输出，可连接在一起并由 LTC4212 的 PGI 引脚进行监视。如果任何电源在编程的时间段内无法上电，电源良好定时器会自动断开卡与底板电源的连接。正常上电后，毛刺滤波器提供了一种检测失调电源的方法，同时抑制持续时间短于可编程时间段的骤降。

审核编辑：郭婷