LTC4235：實(shí)現(xiàn)理想二極管OR和熱插拔功能的利器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源冗余和熱插拔功能是提高系統(tǒng)可靠性和可用性的關(guān)鍵技術(shù)。Linear Technology的LTC4235芯片為我們提供了一種高效、可靠的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)理想二極管OR和熱插拔功能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。今天我們就一起來深入了解一下這款芯片。

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產(chǎn)品概述

特性亮點(diǎn)

• 理想二極管OR和浪涌電流控制：為冗余電源提供理想二極管OR功能和浪涌電流控制，能夠在多個(gè)電源之間實(shí)現(xiàn)平滑切換，減少電源切換時(shí)的電壓波動(dòng)。
• 低損耗替代：用外部N溝道MOSFET替代功率肖特基二極管，降低了功率損耗，節(jié)省了電路板空間和散熱成本。
• 安全熱插拔：支持熱插拔功能，允許在帶電背板上安全插入和移除電路板，避免因插拔操作引起的電源故障。
• 寬電壓范圍：工作電壓范圍為9V至14V，適應(yīng)多種電源系統(tǒng)。
• 電流監(jiān)測(cè)：提供電流監(jiān)測(cè)輸出，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電流。
• 快速響應(yīng)：能夠在≤1μs內(nèi)限制峰值故障電流，具有可調(diào)的電流限制和折返功能，以及可調(diào)的電流限制故障延遲。
• 故障和電源正常輸出：提供故障和電源正常輸出信號(hào)，方便系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和故障診斷。
• 不同工作模式：LTC4235 - 1在故障后鎖存關(guān)閉，LTC4235 - 2在故障后自動(dòng)重試。
• 緊湊封裝：采用20引腳4mm x 5mm QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

應(yīng)用領(lǐng)域

LTC4235廣泛應(yīng)用于冗余電源、高可用性系統(tǒng)和服務(wù)器、電信和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域，能夠有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

技術(shù)規(guī)格

絕對(duì)最大額定值

• 電壓范圍：CPO1、CPO2、DGATE1、DGATE2、HGATE引腳的電壓范圍為 - 0.3V至35V，OUT引腳的電壓范圍為 - 0.3V至24V。
• 平均電流：FAULT、PWRGD引腳的平均電流為5mA，INTVCC引腳的平均電流為10mA。
• 溫度范圍：LTC4235C的工作環(huán)境溫度范圍為0°C至70°C，LTC4235I的工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至85°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至150°C。

電氣特性

• 電源：輸入電源范圍為9V至14V，輸入電源電流為2.7至4mA，內(nèi)部穩(wěn)壓器電壓為4.5至5.5V。
• 理想二極管控制：正向調(diào)節(jié)電壓為2至28mV，外部N溝道柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10至14V，CPO引腳的上拉電流為 - 50至 - 120μA，DGATE引腳的快速上拉和下拉電流為1.5A。
• 熱插拔控制：電流限制感應(yīng)電壓閾值為5.8至27.5mV，HGATE引腳的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10至14V，OUT引腳的電源正常閾值為10.2至10.8V。
• 輸入和輸出：各輸入引腳具有相應(yīng)的閾值電壓和滯回電壓，輸出引腳具有不同的電流和電壓特性。
• 電流監(jiān)測(cè)：浮動(dòng)穩(wěn)壓器電壓為3.6至4.6V，輸入感應(yīng)電壓滿量程為25mV，IMON引腳的電壓增益為100。

引腳功能

關(guān)鍵引腳

• CPO1、CPO2：電荷泵輸出引腳，連接電容用于理想二極管控制，為MOSFET柵極提供快速開啟所需的電荷。
• DGATE1、DGATE2：理想二極管MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出引腳，控制外部N溝道MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。
• D2OFF：控制輸入引腳，用于控制IN2電源路徑中理想二極管MOSFET的開關(guān)。
• EN：使能輸入引腳，接地時(shí)啟用熱插拔控制。
• FAULT：過流故障狀態(tài)輸出引腳，故障時(shí)拉低。
• FTMR：故障定時(shí)器電容端子，連接電容設(shè)置電流限制的持續(xù)時(shí)間。
• HGATE：熱插拔MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出引腳，控制外部N溝道MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。
• IN1、IN2：正電源輸入和理想二極管MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)返回引腳，為芯片提供電源并控制DGATE引腳。
• INTVCC：內(nèi)部5V電源去耦輸出引腳，需連接電容進(jìn)行去耦。
• IMON：電流感應(yīng)監(jiān)測(cè)輸出引腳，電壓與電流感應(yīng)電阻上的電壓成正比。
• ON：ON控制輸入引腳，控制外部熱插拔MOSFET的開關(guān)。
• OUT：熱插拔MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)返回引腳，用于監(jiān)測(cè)輸出電壓和控制電流限制。
• PWRGD：電源狀態(tài)輸出引腳，指示電源是否正常。
• REG：電流感應(yīng)放大器的內(nèi)部穩(wěn)壓電源引腳，需連接電容進(jìn)行旁路。
• SENSE+、SENSE -：正、負(fù)電流感應(yīng)輸入引腳，用于監(jiān)測(cè)電流和控制MOSFET。

工作原理

整體功能

LTC4235通過控制外部N溝道MOSFET，實(shí)現(xiàn)輸入電源的二極管OR功能、浪涌電流限制和過流保護(hù)，允許在冗余電源系統(tǒng)中安全插入和移除電路板。

啟動(dòng)過程

• 上電時(shí)，外部MOSFET的柵極保持低電平，處于關(guān)斷狀態(tài)。
• 當(dāng)D2OFF引腳拉低時(shí)，DGATE2引腳拉高，理想二極管MOSFET開啟。
• 柵極驅(qū)動(dòng)放大器監(jiān)測(cè)IN和SENSE +引腳之間的電壓，當(dāng)檢測(cè)到較大的正向電壓降時(shí)，快速拉高DGATE引腳，開啟MOSFET。
• 同時(shí)，內(nèi)部電荷泵為CPO引腳充電，為理想二極管MOSFET的快速開啟提供電荷。

熱插拔控制

• 當(dāng)ON引腳拉高且EN引腳拉低時(shí)，啟動(dòng)100ms的去抖計(jì)時(shí)周期。
• 計(jì)時(shí)周期結(jié)束后，電荷泵的10μA電流源使HGATE引腳電壓上升，開啟熱插拔MOSFET。
• 浪涌電流由外部感應(yīng)電阻限制，同時(shí)內(nèi)部電流限制放大器控制MOSFET的柵極，將感應(yīng)電阻上的電壓限制在25mV以下。
• 當(dāng)OUT引腳電壓高于10.5V且MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓超過4.2V時(shí)，PWRGD引腳拉低，指示電源正常。

電流監(jiān)測(cè)

高側(cè)電流感應(yīng)放大器對(duì)電流感應(yīng)電阻上的電壓進(jìn)行放大和電平轉(zhuǎn)換，將信號(hào)輸出到IMON引腳，方便進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)。

故障處理

• 當(dāng)輸入電源短路時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)放大器檢測(cè)到故障，拉低DGATE引腳，關(guān)閉理想二極管MOSFET。
• 當(dāng)輸出發(fā)生過流故障時(shí)，電流限制放大器控制MOSFET的柵極，限制電流。
• 故障定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束后，拉低HGATE引腳，關(guān)閉熱插拔MOSFET，同時(shí)FAULT引腳拉低。

應(yīng)用信息

內(nèi)部VCC電源

LTC4235的輸入電源范圍為9V至14V，內(nèi)部通過低壓差穩(wěn)壓器（LDO）將電源調(diào)節(jié)為5V，為芯片內(nèi)部電路供電。內(nèi)部二極管OR電路選擇IN和OUT引腳中電壓較高的電源為芯片供電，確保在輸入電源故障時(shí)仍能保持芯片正常工作。

啟動(dòng)和關(guān)閉順序

• 啟動(dòng)順序：理想二極管MOSFET先開啟，當(dāng)內(nèi)部生成的INTVCC電壓超過2.2V的欠壓鎖定閾值時(shí)，內(nèi)部電荷泵為CPO引腳充電。經(jīng)過100ms的去抖計(jì)時(shí)周期后，熱插拔MOSFET開啟，浪涌電流受到限制。當(dāng)OUT引腳電壓和MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓滿足條件時(shí)，PWRGD引腳拉低，指示電源正常。
• 關(guān)閉順序：可以通過拉低ON引腳、拉高EN引腳或發(fā)生過流故障等方式關(guān)閉外部MOSFET。當(dāng)INTVCC電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)，所有MOSFET關(guān)閉。

過流故障處理

LTC4235具有可調(diào)的電流限制和折返功能，能夠保護(hù)外部MOSFET免受短路或過大負(fù)載電流的影響。當(dāng)輸出處于電流限制狀態(tài)且超過故障定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間時(shí)，熱插拔MOSFET關(guān)閉，F(xiàn)AULT引腳拉低。故障定時(shí)器電容的充電和放電過程決定了故障后的冷卻時(shí)間和重試機(jī)制。

電源監(jiān)測(cè)

• 欠壓故障監(jiān)測(cè)：ON引腳可作為輸入電源監(jiān)測(cè)引腳，通過連接電阻分壓器監(jiān)測(cè)電源的欠壓情況。當(dāng)電源電壓低于欠壓閾值時(shí)，熱插拔MOSFET關(guān)閉；當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常時(shí)，熱插拔MOSFET可重新開啟。
• 電源正常監(jiān)測(cè)：內(nèi)部電路監(jiān)測(cè)MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和OUT引腳電壓，通過PWRGD引腳輸出電源狀態(tài)信息。

電流感應(yīng)監(jiān)測(cè)

LTC4235的電流感應(yīng)放大器對(duì)外部感應(yīng)電阻上的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輸出電壓與感應(yīng)電壓成正比。通過在IMON引腳連接電容，可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，減少噪聲干擾。

元件選擇和設(shè)計(jì)示例

• 電流感應(yīng)電阻：根據(jù)最大負(fù)載電流和電流限制感應(yīng)電壓閾值計(jì)算感應(yīng)電阻的阻值。
• MOSFET：選擇合適的MOSFET，考慮其導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓和閾值電壓等參數(shù)。
• 電容：CPO引腳的電容值約為理想二極管MOSFET輸入電容的10倍，HGATE引腳的電容用于控制柵極斜率，限制浪涌電流。
• 電阻：ON引腳的電阻分壓器用于設(shè)置電源欠壓閾值。

PCB布局考慮

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感應(yīng)和良好的散熱性能，建議采用Kelvin連接方式連接感應(yīng)電阻，保持PCB布局的平衡和對(duì)稱，減少布線誤差。同時(shí)，合理安排旁路電容和瞬態(tài)電壓抑制器的位置，降低電源瞬態(tài)干擾。

總結(jié)

LTC4235是一款功能強(qiáng)大的芯片，能夠?yàn)槿哂嚯娫聪到y(tǒng)提供理想的二極管OR和熱插拔解決方案。通過合理選擇元件和優(yōu)化PCB布局，我們可以充分發(fā)揮LTC4235的性能，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似芯片應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。