借力理想二極體與熱插拔控制器　μTCA背板實現平順電源切換

以蕭特基二極體實現多電源系統有多種方式，例如μTCA網路及儲存伺服器等高可用性電子系統，都在其冗餘電源系統中採用了蕭特基Diode-OR電路。

此外，Diode-OR電路還用於使用備用電源的系統，例如交流(AC)適配器和備份電池饋送。問題是，蕭特基二極體由於順向壓降而消耗功率，所產生的熱量必須用印刷電路板(PCB)上專門的銅箔區散出，或者透過由螺栓固定到二極體上的散熱器散出，而這兩種散熱方式都須占用相當大的空間。

目前市場上的理想二極體和熱插拔控制器如LTC4225、LTC4227和LTC4228，會以外部N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)做為傳遞元件，以將功耗降至最低，從而在MOSFET導通時，最大限度地減小從電源到負載的壓降。當輸入電源電壓降至低於輸出共模電源電壓時，關斷適當的MOSFET，可使功能和性能與理想二極體匹配。

如圖1所示，透過增加一個電流檢測電阻，並配置兩個具備單獨閘極控制的背對背MOSFET；新型理想二極體和熱插拔控制器能憑藉湧浪電流限制和過流保護提高二極體的性能。如此一來，電路板就能安全地插入或從帶電背板拔出，而不會損壞連接器。

圖1　採用檢測電阻和外部N通道MOSFET的LTC4225、LTC4227和LTC4228的不同配置。

另一款理想二極體和熱插拔控制器，則可以在並聯連接的理想二極體MOSFET之後，增加電流檢測電阻器和熱插拔(Hot Swap)MOSFET，以省下一個MOSFET。值得注意的是，有些控制器如LTC4228，透過在理想二極體和熱插拔MOSFET之間配置檢測電阻，能更快地從輸入電壓欠壓中恢復，以保持輸出電壓不變。

監控電壓壓降　閘極驅動放大器發揮理想二極體功效

市面上新款理想二極體和熱插拔控制器以一個內部閘極驅動放大器監視IN和OUT接腳之間的電壓，發揮了理想二極體的作用。該放大器驅動DGATE接腳，當這個放大器檢測到大的順向壓降(圖2)時，就快速拉高DGATE接腳，以導通MOSFET，實現理想二極體控制。

圖2　當IN電源導通時，閘極驅動放大器會拉高理想二極體控制器CPO和DGATE接腳。

CPO和IN接腳之間連接的外部電容器可提供理想二極體MOSFET快速接通所需的電荷，在元件上電時，內部充電泵為電容器充電；DGATE接腳提供來自CPO腳的電流，並將電流吸收到IN和GND接腳中；閘極驅動放大器控制DGATE接腳，以跟隨檢測電阻和兩個外部N通道MOSFET上的順向壓降，直至25毫伏特(mV)。

如果負載電流引起超過25毫伏特的壓降，那麼閘極電壓就會上升，以加強用於實現理想二極體控制的MOSFET。在MOSFET導通時，如果輸入電源短路，則會有很大的反向電流開始從負載流向輸入，一旦故障出現，閘極驅動放大器就會檢測到故障情況，並拉低DGATE，以斷開理想二極體MOSFET。

拉高ON接腳並拉低接腳會啟動100毫秒(ms)的防反跳定時週期，在定時週期結束之後，來自充電泵的10微安培(μA)電流使HGATE接腳斜坡上升，當熱插拔MOSFET導通時，湧浪電流被限制到由外部檢測電阻設定的值上。

主動電流限制放大器伺服MOSFET的閘極，如此電流檢測放大器上就會出現65毫伏特的電壓，如果檢測電壓高於50毫伏特的時間超過了在TMR接腳端配置的故障篩檢程式延遲時間，那麼電路斷路器就斷開，並拉低HGATE。

如果需要，可以在HGATE和GND之間增加一個電容器，以進一步降低湧浪電流，電阻可透過此電容連接成串，以補償電流控制迴路。當MOSFET閘極的過驅動(HGATE至OUT的電壓)超過4.2伏特時，拉低接腳(圖3)。

圖3　當ON接腳切換到高位準時，在100毫秒延遲之後，熱插拔控制器HGATE啟動，PWRGD會被拉低。

理想二極體結合熱插拔控制　電源切換更順暢

在一個採用冗餘電源的典型μTCA應用中(圖4)，在背板上對輸出進行Diode-OR，不用斷開系統電源，就可以取出或插入板卡。目前市場上同時整合理想二極體和熱插拔的控制器，非常適用於此類應用，這些元件在兩個電源之間提供平順的電源切換，同時還提供過電流保護。

如果主電源掉電，那麼控制器會快速回應，以斷開主電源通路中的理想二極體MOSFET，並導通冗餘電源通路中的MOSFET，從而向輸出負載提供平滑的電源切換。

熱插拔MOSFET保持導通，如此這些MOSFET就不會影響電源切換。當各自的ON接腳被拉低，或接腳被拉高時，控制器斷開熱插拔MOSFET；在輸出端檢測到過流故障時，熱插拔MOSFET的閘極被快速拉低，之後輸出會穩定於電流限制值上，直至由TMR接腳電容設定的故障篩檢程式延遲超時為止。

圖4　在μTCA應用中，LTC4225為兩個μTCA插槽提供12伏特電源。

熱插拔MOSFET斷開後，接腳則鎖定在低位準，以指示出現故障。然而，DGATE接腳持續拉高並使理想二極體MOSFET保持導通；針對鎖定部分，透過將ON接腳拉至低於0.6伏特，可以使電子電路斷路器復位。但對於自動重試元件，鎖定故障會自動復位，而熱插拔MOSFET則允許在Cool-down計時週期後開啟。Cool-down週期提供0.1%自動復位工作週期，無論TMR接腳電容如何，當自動復位時若輸出故障持續其可避免MOSFET過熱。

在傳統的Diode-OR多電源系統中，由電壓較高的輸入電源給輸出供電，同時擋住電壓較低的電源。這種簡單的解決方案可以滿足應用需求，在這應用中，電源的優先權不僅只是電壓較高的電源就優先的問題。 如圖5所示，在一個備份電源系統當中，無論何時，只要5伏特主電源(INPUT1)可用，就由該電源給輸出供電，而12伏特備份電源(INPUT2)僅當主電源無法提供時才會使用。

圖5　透過LTC4225實現以IN1做為優先輸入的雙通道電源優先順序區分器。

只要INPUT1高於由ON1接腳端的R1-R2分壓器設定的4.3伏特UV門檻，MH1就會導通，從而將INPUT1連接到輸出。當MH1導通時，變低，又會將ON2拉低，並透過斷開MH2來停用IN2通路。

如果主電源無法提供，且INPUT1降至低於4.3伏特，那麼ON1就斷開MH1，且變高，從而允許ON2導通MH2，並將INPUT2連接到輸出。在任何情況下，理想二極體MOSFET MD1和MD2都要防止一個輸入到另一個輸入的反向饋送。

新款同時整合理想二極體與熱插拔功能的控制器允許採用背對背MOSFET的應用將在電源端的MOSFET配置為理想二極體，在負載端的MOSFET配置為熱插拔控制器，反之亦然。

如圖6所示，熱插拔MOSFET置於電源端而理想二極體MOSFET於負載端，電源終端相連，該元件的內部12伏特箝位只限制DGATE-to-IN及HGATE-to-OUT接腳電壓，在MOSFET的GATE和SOURCE接腳之間也許需要一個外部齊納二極體來箝位，以在MOSFET的閘源電壓額定值低於20伏特時防止MOSFET擊穿。 無論是按照何種安排，該款控制器均可憑藉理想二極體在IN和OUT接腳之間的或連接平滑地在電源之間切換。

圖6　藉由LTC4225實現在電源端具備熱插拔MOSFET、在負載端具備理想二極體MOSFET的應用。

圖7顯示另一種理想二極體和熱插拔控制器的應用，其中檢測電阻器放置在並聯連接的雙電源理想二極體MOSFET之後，檢測電阻器之後是單個熱插拔MOSFET。在故障超時之前，該控制器以1x電流限制調節超載輸出，而不像LTC4225 Diode-OR應用般是以2x電流限制，因而能在超載情況下降低元件功耗。

圖7　LTC4227可實現具備熱插拔控制和存在板卡的Diode-OR應用。

電源IC廠商所推出的理想二極體和熱插拔控制器如LTC4227，其二極體控制器監視橫跨二極體MOSFET的順向電壓，該閘極驅動器控制DGATE來伺服橫跨MOSFET的順向壓降至25毫伏特。如果負載電流引起高於25毫伏特的壓降，該閘極電壓會上升來強化MOSFET。

相反的，如果輸入電源驟降，該閘極驅動放大器則會快速Pull-down電路關閉MOSFET，以在其偵測到IN低於SENSE+.25毫伏特以下時避免逆向電流。

此外，LTC4227還具有接腳，這允許非常容易地確定IN1電源的優先順序。例如，圖8顯示了簡單的電阻分壓器，該分壓器將IN1連接到接腳，這樣IN1電源一直都是優先的，直至IN1降至低於2.8伏特為止，這時，MD2導通，Diode-OR輸出從IN1端的主3.3伏特電源切換到IN2端的輔助3.3伏特電源。

圖8　透過LTC4227的D2ON，插入式板卡的IN1電源控制IN2電源的導通。

在圖4所示的LTC4225 μTCA應用中，如果一個輸入電源出現故障，短暫接地，而另一個電源不可用，那麼HGATE就會被拉低，好隨著IN電源降至低於欠壓鎖住門檻，而斷開熱插拔MOSFET；當輸入電源恢復時，HGATE就會被允許啟動以導通MOSFET。不過，因為針對HGATE和已耗盡的輸出電容充電須要花一點時間，所以在此期間也許會出現輸出電壓欠壓情況。

在這種情況下，另一款元件LTC4228能更快地恢復以保持輸出電壓不變，相較於LTC4225更具有優勢。如圖9所示，檢測電阻器放置在理想二極體和熱插拔MOSFET之間，從而允許在輸入電源出現故障時，靠輸出負載電容暫時保持SENSE+接腳電壓不變。

圖9　以LTC4228為兩個μTCA插槽提供12伏特電源的μTCA應用。

這可防止SENSE+電壓進入欠壓閉鎖狀態，並防止斷開熱插拔MOSFET，且輸入電源能在恢復的同時，為已耗盡的負載電容充電，並即時為下游負載供電，因為熱插拔MOSFET仍然處於導通狀態。

總體而言，透過控制外部N通道MOSFET，新款的理想二極體和熱插拔控制器為兩個電源軌實現了理想二極體和熱插拔功能，這些元件提供快速反向斷開、平滑電源切換、主動電流限制，以及狀態和故障報告功能。這些元件具有嚴格的5%電路斷路器門檻準確度和快速響應電流限制，可保護電源免受過流故障影響，其中，有些元件更能從輸入電壓欠壓狀態快速恢復，因此在面臨此類事件時，可保持輸出電壓不變。

(本文作者任職於凌力爾特)