MAX15091A：2.7V至18V、9A集成热插拔解决方案

MAX15091/MAX15091A：2.7V至18V、9A集成热插拔解决方案

在电子设备的设计中，热插拔功能的实现至关重要，尤其是在需要安全插入和移除电路线卡的应用场景中。今天，我们就来详细了解一下Maxim Integrated推出的MAX15091/MAX15091A集成热插拔解决方案。

文件下载：MAX15091A.pdf

一、产品概述

MAX15091/MAX15091A是专为热插拔应用而设计的集成电路，可确保电路线卡从带电背板上安全插入和移除。该器件将热插拔控制器、典型值为18mΩ的功率MOSFET以及电子断路器保护集成在一个封装中，同时还集成了精确的电流检测电路，并提供170µA/A的比例输出电流，适用于2.7V至18V的电源电压保护。

（一）启动阶段

在启动时，器件会实施折返式电流限制，以控制浪涌电流，降低di/dt，并使MOSFET在安全工作区（SOA）条件下运行。启动完成后，片上比较器会提供VariableSpeed/BiLevel™保护，防止短路和过流故障，并能抵御系统噪声和负载瞬变。若出现故障，负载将被断开。MAX15091在故障时会锁存关闭，而MAX15091A则会进入自动重试模式。

（二）其他特性

器件还具备启动前的IN到OUT短路检测功能，通过在GATE引脚添加外部电容，可对启动时的压摆率进行编程。此外，它还有过压/欠压输入引脚，能检测过压/欠压故障并断开输入与输出的连接。其他特性包括内部过温保护、电源良好输出和故障指示输出。

二、产品优势与特点

（一）集成化设计

• 减小解决方案尺寸：集成了典型值为18mΩ的内部功率MOSFET，适用于刀片服务器和其他空间受限的设计，有效减少了整体解决方案的尺寸。
• 多种保护功能：具备过压保护、电源良好和故障输出、模拟电流报告输出（无需外部RSENSE）以及热保护等功能，提高了系统的可靠性和稳定性。

（二）灵活性高

• 宽工作电压范围：2.7V至18V的工作电压范围，使其能够适应多种不同的电源环境。
• 可编程控制：支持可编程的浪涌电流控制、可调的断路器电流/电流限制阈值、可编程的压摆率控制、可编程的欠压锁定以及可变速度的断路器响应等，可根据不同的应用需求进行灵活配置。
• 故障管理选项：提供锁存关闭或自动重试选项，满足不同的故障管理需求。

（三）安全可靠

• 高负载电流能力：具备9A（最大）的负载电流能力，能够满足大多数应用的功率需求。
• 高精度保护：断路器阈值精度为±10%，启动时通过折返式电流限制对浪涌电流进行调节，实现di/dt控制，并具备IN到OUT短路检测功能，确保系统的安全运行。

三、应用领域

MAX15091/MAX15091A适用于多种应用领域，包括但不限于：

• 刀片服务器：确保刀片服务器在热插拔过程中的安全性和稳定性。
• 服务器I/O卡：为服务器I/O卡提供可靠的热插拔保护。
• RAID系统：在RAID系统中实现安全的磁盘更换和扩展。
• 磁盘驱动器电源：保护磁盘驱动器在热插拔时免受损坏。
• 存储应用：为各种存储设备提供热插拔解决方案。
• 工业应用：满足工业环境中对热插拔功能的需求。

四、电气特性

该器件的电气特性涵盖了电源供应、电流限制、定时、MOSFET参数、输出、电流报告、PG阈值和热关断等多个方面。例如，VCC和IN的工作范围为2.7V至18V，在不同条件下的电源电流也有所不同。电路断路器的阈值可通过连接在CB引脚到GND的外部电阻进行设置，公式为(I{CB}=R{CB} / 2777.8) 。此外，该器件还提供了丰富的输出信号，如FAULT和PG输出，可用于故障指示和电源状态监测。

五、引脚配置与功能

（一）引脚配置

MAX15091/MAX15091A采用28引脚、5mm x 5mm的TQFN功率封装，各引脚都有其特定的功能。

（二）主要引脚功能

• IN引脚：电源电压输入，连接到内部18mΩ MOSFET的漏极，需通过瞬态电压抑制二极管旁路到GND，以钳制快速输出短路到地时的感应反冲瞬变。
• VCC引脚：电源输入，连接2.7V至18V的电压，需连接肖特基二极管（或10Ω电阻）从IN到VCC，并连接1µF旁路电容到GND，以确保在OUT到GND强短路时VIN崩溃的情况下仍能正常工作。
• GATE引脚：内部MOSFET的栅极，启动时会提供5.7µA电流，以10V/ms的压摆率增强内部MOSFET，可通过连接外部电容到GND来降低启动时的输出压摆率。
• CDLY引脚：启用定时器输入，通过在CDLY和GND之间连接电容来设置1s/µF的超时延迟。
• EN引脚：启用输入，通常通过电阻上拉到REG的逻辑高电平状态，在可编程超时延迟过去之前，外部电路必须将其拉低（至少1ms），否则会导致内部MOSFET关闭。
• FAULT引脚：故障状态输出，为开漏、低电平有效输出，在过流或过温条件触发关闭时会置低，启动期间禁用。
• PG引脚：电源良好输出，为开漏、高电平有效输出，在内部功率MOSFET完全增强之前会拉低。

六、详细工作原理

（一）使能逻辑和欠压/过压锁定阈值

当VCC电源上升超过VUVLO阈值时，器件准备驱动输出。当(V{CC}>V{UVLO}) 、(V{UV}>1.2V)且(V{OV}<1.2V)时，器件开启输出；当(V_{UV})低于(1.2V - VUVHYS)或(V{OV})高于1.2V时，器件关闭输出。可通过从IN到UV、OV和地的外部电阻分压器，将欠压/过压锁定阈值设置在VUVLO和18V之间的任意所需水平。

（二）启动过程

器件输出启用后，会以约10V/ms的默认速率向负载施加受控电源，直到达到编程的断路器电流水平，同时积极限制浪涌电流。通过连接到GATE引脚的外部电容，可将压摆率编程为低于默认值。浪涌电流可通过选择合适的(R{CB})值进行编程。启动时，折返式电流限制会保护内部MOSFET在SOA内运行。内部48ms定时器在启动阶段开始计时，当OUT电压上升超过预充电阈值((0.9 ×V{IN}))且((V{GATE }-V{OUT })>3V)时，启动阶段完成，进入正常运行模式。启动成功完成16ms后，开漏电源良好输出（PG）变为高阻态。

（三）VariableSpeed/BiLevel故障保护

该保护机制采用具有不同阈值和响应时间的比较器来监测负载电流，在正常运行（启动期过后）时，通过在故障条件下放电MOSFET栅极来提供保护。在故障条件下，MAX15091A进入自动重试模式，而MAX15091则锁存关闭。

（四）电荷泵

集成的电荷泵为内部功率MOSFET提供栅极驱动电压，可在(V{IN})之上产生适当的栅极驱动电压，以充分增强内部功率MOSFET，并确保在正常状态下实现低RON运行。启动时，内部电荷泵以固定的5.7µA电流驱动MOSFET的GATE，以10V/ms的压摆率（典型值）增强内部MOSFET。可通过连接外部电容（CGATE）从GATE到GND来降低启动时的输出压摆率，CGATE可根据公式(C{GATE}=left(I{GATE} × Delta tright) / Delta V{GATE})计算。

（五）断路器比较器和电流限制

通过内部功率MOSFET的电流会与断路器阈值进行比较，该阈值由CB和GND之间的外部电阻根据公式(I{CB}=R{CB} / 2777.8)设置。断路器比较器允许负载电流在跳闸前超过阈值一段时间，时间延迟与超过阈值的过载成反比，过流情况越严重，响应时间越快，使器件能够耐受负载瞬变和接近断路器阈值的噪声。此外，器件还具备灾难性短路保护功能，在正常运行时，若OUT直接短路到地，快速保护电路会迫使内部MOSFET的栅极快速放电，断开输出与输入的连接。

（六）自动重试和锁存关闭故障管理

在故障条件下，器件会关闭内部MOSFET，断开输出与输入的连接。MAX15091A进入自动重试模式，在tRESTART时间延迟过后重启；MAX15091则锁存关闭，直到使能逻辑在tRESTART延迟后循环关闭和开启。

（七）故障状态输出（FAULT）

FAULT是一个开漏输出，在电流限制或过温故障关闭发生时置低，直到下一个启动周期。断言时，FAULT能够吸收高达5mA的电流。

（八）电源良好（PG）延迟

器件具有一个开漏电源良好输出，在tPG延迟后断言，表明OUT电压已达到((0.9 ×V{IN}))且((V{GATE }-V_{OUT })>3V) 。

（九）内部稳压器输出（REG）

器件包含一个线性稳压器，在REG输出3.3V电压，为器件的内部电路块供电，除了从REG到EN连接的大于50kΩ的电阻外，不得外部加载。REG需要至少1µF的电容接地才能正常工作。

（十）电流报告输出（ISENSE）

ISENSE引脚是一个精确电流检测放大器的输出，提供与流入主开关的负载电流成比例的源电流。工厂调整的电流比设置为170µA/A，通过在ISENSE和地之间连接电阻可产生缩放电压，该电压信号可输入到ADC，提供给供电系统的电流的数字化信息。

（十一）热保护

当由于过度功耗或高环境温度导致过热时，器件会进入热关断模式。当结温超过(T_{J}=+150^{circ} C)（典型值）时，内部热保护电路会关闭内部功率MOSFET。当结温下降20°C（典型值）时，器件从热关断模式恢复。

（十二）IN到OUT短路保护

启动时，在所有输入条件（UV、OV、VUVLO）满足后，器件会立即检查IN到OUT的短路故障。若(V{OUT})大于(V{IN})的90%，内部MOSFET无法开启，FAULT被断言，MAX15091A在3.2s后进入自动重试模式，而MAX15091则锁存关闭。若(V{OUT})低于(V{IN})的90%但大于(V{IN})的50%，内部MOSFET仍无法开启，无故障断言，当(V{OUT})低于(V_{IN})的50%时，MOSFET可开启。

七、应用信息

（一）设置欠压阈值

器件为内部MOSFET提供独立的开/关控制（UV），输入电压范围为2.7V至18V，默认欠压锁定阈值为2.5V（典型值）。只要(V{CC}<2.5V)或(V{UV}TH}) ，内部MOSFET就会保持关闭。可使用从IN到UV、OV和GND的电阻分压器对欠压锁定阈值进行编程，计算公式为(R 1=left(frac{V{I N}}{V{U V{-} T H}}-1right) times(R 2+R 3))，其中(V{IN})是输出的期望开启电压，(V{UVTH})为1.2V。在正常工作条件下，(V{UV})必须保持在其1.2V（典型值）阈值以上，若(V_{UV})低于阈值100mV（VUV_HYS），内部MOSFET将关闭，断开负载与输入的连接。{uv

（二）设置过压阈值

器件还为内部MOSFET提供独立的过压启用控制（OV）。当(V{OV})超过1.2V（典型值）阈值时，内部MOSFET关闭。可使用从IN到UV、OV和GND的电阻分压器对过压锁定阈值进行编程，计算公式为((R 1+R 2)=left(frac{V{IN }}{V{OV _TH }} - 1right) × R 3)，其中(V{IN})是输出的期望关闭电压，(V_{OVTH})为1.2V。在正常工作条件下，(V{OV})必须保持在其1.2V（典型值）阈值以下，若(V{OV})高于(V{OV_TH})阈值，内部MOSFET将关闭，断开负载与输入的连接。

八、总结

MAX15091/MAX15091A集成热插拔解决方案凭借其高集成度、灵活性和安全可靠的特点，为热插拔应用提供了一个优秀的选择。无论是在刀片服务器、服务器I/O卡还是其他工业应用中，都能发挥重要作用。电子工程师在设计相关电路时，可根据具体需求合理配置该器件的各项参数，以实现最佳的性能和可靠性。大家在实际应用过程中，有没有遇到过类似热插拔器件的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。