LTC4235：实现理想二极管OR和热插拔功能的利器

在电子设计领域，电源冗余和热插拔功能是提高系统可靠性和可用性的关键技术。Linear Technology的LTC4235芯片为我们提供了一种高效、可靠的解决方案，能够实现理想二极管OR和热插拔功能，适用于多种应用场景。今天我们就一起来深入了解一下这款芯片。

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产品概述

特性亮点

• 理想二极管OR和浪涌电流控制：为冗余电源提供理想二极管OR功能和浪涌电流控制，能够在多个电源之间实现平滑切换，减少电源切换时的电压波动。
• 低损耗替代：用外部N沟道MOSFET替代功率肖特基二极管，降低了功率损耗，节省了电路板空间和散热成本。
• 安全热插拔：支持热插拔功能，允许在带电背板上安全插入和移除电路板，避免因插拔操作引起的电源故障。
• 宽电压范围：工作电压范围为9V至14V，适应多种电源系统。
• 电流监测：提供电流监测输出，方便实时监测电源电流。
• 快速响应：能够在≤1µs内限制峰值故障电流，具有可调的电流限制和折返功能，以及可调的电流限制故障延迟。
• 故障和电源正常输出：提供故障和电源正常输出信号，方便系统监测和故障诊断。
• 不同工作模式：LTC4235 - 1在故障后锁存关闭，LTC4235 - 2在故障后自动重试。
• 紧凑封装：采用20引脚4mm x 5mm QFN封装，节省电路板空间。

应用领域

LTC4235广泛应用于冗余电源、高可用性系统和服务器、电信和网络基础设施等领域，能够有效提高系统的可靠性和稳定性。

技术规格

绝对最大额定值

• 电压范围：CPO1、CPO2、DGATE1、DGATE2、HGATE引脚的电压范围为 - 0.3V至35V，OUT引脚的电压范围为 - 0.3V至24V。
• 平均电流：FAULT、PWRGD引脚的平均电流为5mA，INTVCC引脚的平均电流为10mA。
• 温度范围：LTC4235C的工作环境温度范围为0°C至70°C，LTC4235I的工作环境温度范围为 - 40°C至85°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。

电气特性

• 电源：输入电源范围为9V至14V，输入电源电流为2.7至4mA，内部稳压器电压为4.5至5.5V。
• 理想二极管控制：正向调节电压为2至28mV，外部N沟道栅极驱动电压为10至14V，CPO引脚的上拉电流为 - 50至 - 120µA，DGATE引脚的快速上拉和下拉电流为1.5A。
• 热插拔控制：电流限制感应电压阈值为5.8至27.5mV，HGATE引脚的栅极驱动电压为10至14V，OUT引脚的电源正常阈值为10.2至10.8V。
• 输入和输出：各输入引脚具有相应的阈值电压和滞回电压，输出引脚具有不同的电流和电压特性。
• 电流监测：浮动稳压器电压为3.6至4.6V，输入感应电压满量程为25mV，IMON引脚的电压增益为100。

引脚功能

关键引脚

• CPO1、CPO2：电荷泵输出引脚，连接电容用于理想二极管控制，为MOSFET栅极提供快速开启所需的电荷。
• DGATE1、DGATE2：理想二极管MOSFET栅极驱动输出引脚，控制外部N沟道MOSFET的导通和关断。
• D2OFF：控制输入引脚，用于控制IN2电源路径中理想二极管MOSFET的开关。
• EN：使能输入引脚，接地时启用热插拔控制。
• FAULT：过流故障状态输出引脚，故障时拉低。
• FTMR：故障定时器电容端子，连接电容设置电流限制的持续时间。
• HGATE：热插拔MOSFET栅极驱动输出引脚，控制外部N沟道MOSFET的导通和关断。
• IN1、IN2：正电源输入和理想二极管MOSFET栅极驱动返回引脚，为芯片提供电源并控制DGATE引脚。
• INTVCC：内部5V电源去耦输出引脚，需连接电容进行去耦。
• IMON：电流感应监测输出引脚，电压与电流感应电阻上的电压成正比。
• ON：ON控制输入引脚，控制外部热插拔MOSFET的开关。
• OUT：热插拔MOSFET栅极驱动返回引脚，用于监测输出电压和控制电流限制。
• PWRGD：电源状态输出引脚，指示电源是否正常。
• REG：电流感应放大器的内部稳压电源引脚，需连接电容进行旁路。
• SENSE+、SENSE -：正、负电流感应输入引脚，用于监测电流和控制MOSFET。

工作原理

整体功能

LTC4235通过控制外部N沟道MOSFET，实现输入电源的二极管OR功能、浪涌电流限制和过流保护，允许在冗余电源系统中安全插入和移除电路板。

启动过程

• 上电时，外部MOSFET的栅极保持低电平，处于关断状态。
• 当D2OFF引脚拉低时，DGATE2引脚拉高，理想二极管MOSFET开启。
• 栅极驱动放大器监测IN和SENSE +引脚之间的电压，当检测到较大的正向电压降时，快速拉高DGATE引脚，开启MOSFET。
• 同时，内部电荷泵为CPO引脚充电，为理想二极管MOSFET的快速开启提供电荷。

热插拔控制

• 当ON引脚拉高且EN引脚拉低时，启动100ms的去抖计时周期。
• 计时周期结束后，电荷泵的10µA电流源使HGATE引脚电压上升，开启热插拔MOSFET。
• 浪涌电流由外部感应电阻限制，同时内部电流限制放大器控制MOSFET的栅极，将感应电阻上的电压限制在25mV以下。
• 当OUT引脚电压高于10.5V且MOSFET的栅极驱动电压超过4.2V时，PWRGD引脚拉低，指示电源正常。

电流监测

高侧电流感应放大器对电流感应电阻上的电压进行放大和电平转换，将信号输出到IMON引脚，方便进行电流监测。

故障处理

• 当输入电源短路时，栅极驱动放大器检测到故障，拉低DGATE引脚，关闭理想二极管MOSFET。
• 当输出发生过流故障时，电流限制放大器控制MOSFET的栅极，限制电流。
• 故障定时器计时结束后，拉低HGATE引脚，关闭热插拔MOSFET，同时FAULT引脚拉低。

应用信息

内部VCC电源

LTC4235的输入电源范围为9V至14V，内部通过低压差稳压器（LDO）将电源调节为5V，为芯片内部电路供电。内部二极管OR电路选择IN和OUT引脚中电压较高的电源为芯片供电，确保在输入电源故障时仍能保持芯片正常工作。

启动和关闭顺序

• 启动顺序：理想二极管MOSFET先开启，当内部生成的INTVCC电压超过2.2V的欠压锁定阈值时，内部电荷泵为CPO引脚充电。经过100ms的去抖计时周期后，热插拔MOSFET开启，浪涌电流受到限制。当OUT引脚电压和MOSFET的栅极驱动电压满足条件时，PWRGD引脚拉低，指示电源正常。
• 关闭顺序：可以通过拉低ON引脚、拉高EN引脚或发生过流故障等方式关闭外部MOSFET。当INTVCC电压低于欠压锁定阈值时，所有MOSFET关闭。

过流故障处理

LTC4235具有可调的电流限制和折返功能，能够保护外部MOSFET免受短路或过大负载电流的影响。当输出处于电流限制状态且超过故障定时器设定的时间时，热插拔MOSFET关闭，FAULT引脚拉低。故障定时器电容的充电和放电过程决定了故障后的冷却时间和重试机制。

电源监测

• 欠压故障监测：ON引脚可作为输入电源监测引脚，通过连接电阻分压器监测电源的欠压情况。当电源电压低于欠压阈值时，热插拔MOSFET关闭；当电源电压恢复正常时，热插拔MOSFET可重新开启。
• 电源正常监测：内部电路监测MOSFET的栅极驱动电压和OUT引脚电压，通过PWRGD引脚输出电源状态信息。

电流感应监测

LTC4235的电流感应放大器对外部感应电阻上的电流进行监测，输出电压与感应电压成正比。通过在IMON引脚连接电容，可以对输出信号进行滤波，减少噪声干扰。

元件选择和设计示例

• 电流感应电阻：根据最大负载电流和电流限制感应电压阈值计算感应电阻的阻值。
• MOSFET：选择合适的MOSFET，考虑其导通电阻、最大漏源电压和阈值电压等参数。
• 电容：CPO引脚的电容值约为理想二极管MOSFET输入电容的10倍，HGATE引脚的电容用于控制栅极斜率，限制浪涌电流。
• 电阻：ON引脚的电阻分压器用于设置电源欠压阈值。

PCB布局考虑

为了实现准确的电流感应和良好的散热性能，建议采用Kelvin连接方式连接感应电阻，保持PCB布局的平衡和对称，减少布线误差。同时，合理安排旁路电容和瞬态电压抑制器的位置，降低电源瞬态干扰。

总结

LTC4235是一款功能强大的芯片，能够为冗余电源系统提供理想的二极管OR和热插拔解决方案。通过合理选择元件和优化PCB布局，我们可以充分发挥LTC4235的性能，提高系统的可靠性和稳定性。在实际设计中，你是否遇到过类似芯片应用的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。