MAX5924：1V 至 13.2V n 通道热插拔控制器的设计指南

MAX5924/MAX5925/MAX5926：1V 至 13.2V n 通道热插拔控制器的设计指南

一、引言

在电子设备的设计中，热插拔功能是一个重要的特性，它允许在不关闭系统的情况下安全地插入和移除电路板，提高了系统的可用性和维护效率。MAX5924/MAX5925/MAX5926 是 Maxim 公司推出的一系列 1V 至 13.2V n 通道热插拔控制器，它们无需检测电阻，具有许多集成特性，可减少元件数量和设计时间。本文将详细介绍这些控制器的特点、工作原理、应用以及设计注意事项。

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二、产品概述

2.1 主要功能

MAX5924/MAX5925/MAX5926 允许将电路板安全地插入和移除带电背板。这些设备能够限制涌入负载的电流，并提供断路器功能以实现过流保护。它们可以在有或没有检测电阻的情况下工作，集成了许多可配置的特性，如开启电压、压摆率和断路器阈值等。

2.2 应用场景

这些控制器适用于多种应用，包括基站、RAID、远程访问服务器、网络路由器和交换机、服务器以及便携式设备托架等。

2.3 产品特性

• 宽电压范围热插拔：支持 1V 至 13.2V 的热插拔，前提是设备电源电压 (V{CC}) 不低于 2.25V，且热插拔电源 (V{S}) 不超过 (V_{CC})。
• 驱动高端 nMOSFET：通过板载电荷泵为低成本外部 nMOSFET 提供栅极驱动。
• 无需检测电阻：可在无检测电阻的情况下工作，负载探测电路确保启动时无短路。
• 温度补偿：部分型号具有温度补偿的 (R_{DS(ON)}) 检测功能。
• 可配置参数：如压摆率、开启电压、断路器阈值等。
• 故障管理模式：支持自动重试和锁存故障管理配置。

三、工作原理

3.1 启动模式

在电源电压上升期间，(V{CC}) 和 (V{S}) 需以至少 100mV/ms 的速率上升，特别是当 LATCH 引脚拉高时。设备首先检测电源电压是否低于欠压锁定（UVLO）水平或设备是否被禁用。若条件不满足，设备进入约 200ms 的 UVLO 启动延迟期，然后检测是否存在外部检测电阻，并相应地自动配置。

若没有检测电阻，设备会启用负载探测电路，若探测成功，采用压摆率限制逐渐开启 MOSFET；若检测到外部检测电阻，断路器阈值设为 (2times I_{CB})，跳过负载探测直接启动。

3.2 负载探测

负载探测仅在无外部检测电阻时启用。启动时，SCDET 通过内部开关连接到 (V{CC})，以约 200mA 的探测电流对负载充电。若负载电压在规定时间内未达到 (V_{LP,TH})（典型值 0.2V），则检测到短路故障，根据所选故障管理模式处理。

3.3 正常运行

正常运行时，采用双速/双电平故障保护机制，通过两个具有不同阈值和响应时间的比较器监测电流：

• 慢速比较器：响应时间约 1.6ms，忽略低幅度瞬间电流毛刺，在长时间过流时确认故障并放电 MOSFET 栅极。
• 快速比较器：响应时间快，阈值高，检测到短路等大电流事件时立即关闭 MOSFET。

3.4 双电平故障保护

• 启动模式：启动模式下双电平故障保护禁用，当 (V{GATE}-V{OUT}) 超过 (V_{CB,EN}) 时启用。无检测电阻时，启动期间慢速和快速比较器均不活跃；有检测电阻时，慢速比较器禁用，快速比较器活跃，过流跳闸水平临时提高。
• 正常运行：慢速比较器检测到过载时，通过 (I_{GATE,PD}) 放电 MOSFET 栅极；快速比较器检测到严重过流或短路时迅速关闭 MOSFET。

3.5 电源良好输出

电源良好输出为开漏输出，在多种情况下会失效，如 (V{CC}{UVLO})、负载探测期间、故障管理期间等。仅在正常模式且无故障时输出有效。<>

3.6 欠压锁定（UVLO）

UVLO 电路防止设备在 (V{CC}) 超过 UVLO 阈值 (V{UVLO}) 并持续 (t_{D,UVLO}) 之前开启外部 MOSFET，保护 MOSFET 免受不足的栅极驱动电压影响，确保背板连接稳定。

四、参数配置

4.1 压摆率控制

通过在 SLEW 和 GND 之间连接外部电容 (C{SLEW}) 来调整输出电压的压摆率，计算公式为 (C{SLEW}=330times10^{-9}/SR)（(SR) 为所需压摆率，单位 V/ms），适用于 (C_{SLEW}geq100nF)。

4.2 开启电压设置

通过在 EN 或 EN1、VS 和 GND 之间连接电阻分压器来设置可编程的开启电压。

4.3 断路器阈值选择

可根据不同的 MOSFET、检测电阻和负载电流选择合适的断路器阈值。无检测电阻时，使用 MOSFET 的 (R_{DS(ON)}) 计算；有检测电阻时，结合检测电阻计算。计算公式分别为：

• 无检测电阻：(R{CB}=frac{(I{TRIPSLOW}times R{DS(ON)(T)})+vert V{CB,OS}vert}{I_{CB}})
• 有检测电阻：(R{CB}=frac{(I{TRIPSLOW}times R{SENSE})+vert V{CB,OS}vert}{I_{CB}})

4.4 断路器温度系数

MAX5926 可通过 TC 输入选择断路器编程电流的温度系数，以补偿 MOSFET 的 (R_{DS(ON)}) 温度系数。MAX5924 预设为 0ppm/°C，MAX5925 预设为 3300ppm/°C。

五、元件选择

5.1 nMOSFET 选择

根据应用的电流和电压水平选择外部 nMOSFET，确保其 (R{DS(ON)}) 足够低以减少功率损耗，同时考虑其功率额定值以应对短路情况。对于 (V{CC}) 小于 3V 的情况，建议选择 2.5V (V_{GS}) 的 MOSFET。

5.2 可选检测电阻选择

与 (R{CB}) 配合设置慢速和快速断路器阈值，根据设备配置计算其功率损耗，选择功率额定值为 (P{RSENSE}) 两倍的检测电阻以确保长期可靠运行。

六、设计示例

给定条件：(V{CC}=V{S}=5V)，(C{L}=150mu F)，满载电流 = 5A，无检测电阻，(I{INRUSH}=500mA)。

6.1 计算压摆率和 (C_{SLEW})

(SR=frac{I{INRUSH}}{1000times C{L}} = 3.3frac{V}{ms}) (C_{SLEW}=frac{330times10^{-9}}{SR}=0.1mu F)

6.2 选择 MOSFET 并计算功耗

选择合适的 MOSFET，计算其在最坏情况下的功率损耗，确保其能正常工作。

6.3 选择 (R_{CB})

根据所选 MOSFET 的 (R{DS(ON)}) 和预期的跳闸电流计算 (R{CB})，确保断路器在正常运行时不跳闸，同时能检测到短路或严重过流情况。

七、布局考虑

7.1 布线

保持所有走线尽可能短，增大高电流走线的尺寸，以减少寄生电感的影响。将 MAX5924/MAX5925/MAX5926 靠近电路板连接器放置，使用接地平面以降低阻抗和电感。

7.2 电流检测电阻

最小化电流检测电阻的走线长度（<10mm），并使用 Kelvin 连接确保准确的电流检测。

7.3 散热

在 MOSFET 封装下方的电路板两侧布置两个铜焊盘，通过过孔连接到接地平面，并在电路板顶面使用扩大的铜安装焊盘，以实现良好的散热。同时，使 MOSFET 和 MAX5925/MAX5926 尽可能靠近，以平衡器件结温，提高断路器跳闸阈值的准确性。

八、总结

MAX5924/MAX5925/MAX5926 热插拔控制器为电子设备的热插拔应用提供了一个可靠的解决方案。通过合理的参数配置、元件选择和布局设计，可以充分发挥这些控制器的性能，提高系统的稳定性和可靠性。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求和条件进行综合考虑，以实现最佳的设计效果。你在使用这些控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。