MAX15091/MAX15091A：2.7V至18V、9A集成熱插拔解決方案

在電子設備的設計中，熱插拔功能的實現(xiàn)至關重要，尤其是在需要安全插入和移除電路線卡的應用場景中。今天，我們就來詳細了解一下Maxim Integrated推出的MAX15091/MAX15091A集成熱插拔解決方案。

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一、產品概述

MAX15091/MAX15091A是專為熱插拔應用而設計的集成電路，可確保電路線卡從帶電背板上安全插入和移除。該器件將熱插拔控制器、典型值為18mΩ的功率MOSFET以及電子斷路器保護集成在一個封裝中，同時還集成了精確的電流檢測電路，并提供170μA/A的比例輸出電流，適用于2.7V至18V的電源電壓保護。

（一）啟動階段

在啟動時，器件會實施折返式電流限制，以控制浪涌電流，降低di/dt，并使MOSFET在安全工作區(qū)（SOA）條件下運行。啟動完成后，片上比較器會提供VariableSpeed/BiLevel?保護，防止短路和過流故障，并能抵御系統(tǒng)噪聲和負載瞬變。若出現(xiàn)故障，負載將被斷開。MAX15091在故障時會鎖存關閉，而MAX15091A則會進入自動重試模式。

（二）其他特性

器件還具備啟動前的IN到OUT短路檢測功能，通過在GATE引腳添加外部電容，可對啟動時的壓擺率進行編程。此外，它還有過壓/欠壓輸入引腳，能檢測過壓/欠壓故障并斷開輸入與輸出的連接。其他特性包括內部過溫保護、電源良好輸出和故障指示輸出。

二、產品優(yōu)勢與特點

（一）集成化設計

• 減小解決方案尺寸：集成了典型值為18mΩ的內部功率MOSFET，適用于刀片服務器和其他空間受限的設計，有效減少了整體解決方案的尺寸。
• 多種保護功能：具備過壓保護、電源良好和故障輸出、模擬電流報告輸出（無需外部RSENSE）以及熱保護等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（二）靈活性高

• 寬工作電壓范圍：2.7V至18V的工作電壓范圍，使其能夠適應多種不同的電源環(huán)境。
• 可編程控制：支持可編程的浪涌電流控制、可調的斷路器電流/電流限制閾值、可編程的壓擺率控制、可編程的欠壓鎖定以及可變速度的斷路器響應等，可根據(jù)不同的應用需求進行靈活配置。
• 故障管理選項：提供鎖存關閉或自動重試選項，滿足不同的故障管理需求。

（三）安全可靠

• 高負載電流能力：具備9A（最大）的負載電流能力，能夠滿足大多數(shù)應用的功率需求。
• 高精度保護：斷路器閾值精度為±10%，啟動時通過折返式電流限制對浪涌電流進行調節(jié)，實現(xiàn)di/dt控制，并具備IN到OUT短路檢測功能，確保系統(tǒng)的安全運行。

三、應用領域

MAX15091/MAX15091A適用于多種應用領域，包括但不限于：

• 刀片服務器：確保刀片服務器在熱插拔過程中的安全性和穩(wěn)定性。
• 服務器I/O卡：為服務器I/O卡提供可靠的熱插拔保護。
• RAID系統(tǒng)：在RAID系統(tǒng)中實現(xiàn)安全的磁盤更換和擴展。
• 磁盤驅動器電源：保護磁盤驅動器在熱插拔時免受損壞。
• 存儲應用：為各種存儲設備提供熱插拔解決方案。
• 工業(yè)應用：滿足工業(yè)環(huán)境中對熱插拔功能的需求。

四、電氣特性

該器件的電氣特性涵蓋了電源供應、電流限制、定時、MOSFET參數(shù)、輸出、電流報告、PG閾值和熱關斷等多個方面。例如，VCC和IN的工作范圍為2.7V至18V，在不同條件下的電源電流也有所不同。電路斷路器的閾值可通過連接在CB引腳到GND的外部電阻進行設置，公式為(I{CB}=R{CB} / 2777.8) 。此外，該器件還提供了豐富的輸出信號，如FAULT和PG輸出，可用于故障指示和電源狀態(tài)監(jiān)測。

五、引腳配置與功能

（一）引腳配置

MAX15091/MAX15091A采用28引腳、5mm x 5mm的TQFN功率封裝，各引腳都有其特定的功能。

（二）主要引腳功能

• IN引腳：電源電壓輸入，連接到內部18mΩ MOSFET的漏極，需通過瞬態(tài)電壓抑制二極管旁路到GND，以鉗制快速輸出短路到地時的感應反沖瞬變。
• VCC引腳：電源輸入，連接2.7V至18V的電壓，需連接肖特基二極管（或10Ω電阻）從IN到VCC，并連接1μF旁路電容到GND，以確保在OUT到GND強短路時VIN崩潰的情況下仍能正常工作。
• GATE引腳：內部MOSFET的柵極，啟動時會提供5.7μA電流，以10V/ms的壓擺率增強內部MOSFET，可通過連接外部電容到GND來降低啟動時的輸出壓擺率。
• CDLY引腳：啟用定時器輸入，通過在CDLY和GND之間連接電容來設置1s/μF的超時延遲。
• EN引腳：啟用輸入，通常通過電阻上拉到REG的邏輯高電平狀態(tài)，在可編程超時延遲過去之前，外部電路必須將其拉低（至少1ms），否則會導致內部MOSFET關閉。
• FAULT引腳：故障狀態(tài)輸出，為開漏、低電平有效輸出，在過流或過溫條件觸發(fā)關閉時會置低，啟動期間禁用。
• PG引腳：電源良好輸出，為開漏、高電平有效輸出，在內部功率MOSFET完全增強之前會拉低。

六、詳細工作原理

（一）使能邏輯和欠壓/過壓鎖定閾值

當VCC電源上升超過VUVLO閾值時，器件準備驅動輸出。當(V{CC}>V{UVLO}) 、(V{UV}>1.2V)且(V{OV}<1.2V)時，器件開啟輸出；當(V_{UV})低于(1.2V - VUVHYS)或(V{OV})高于1.2V時，器件關閉輸出?？赏ㄟ^從IN到UV、OV和地的外部電阻分壓器，將欠壓/過壓鎖定閾值設置在VUVLO和18V之間的任意所需水平。

（二）啟動過程

器件輸出啟用后，會以約10V/ms的默認速率向負載施加受控電源，直到達到編程的斷路器電流水平，同時積極限制浪涌電流。通過連接到GATE引腳的外部電容，可將壓擺率編程為低于默認值。浪涌電流可通過選擇合適的(R{CB})值進行編程。啟動時，折返式電流限制會保護內部MOSFET在SOA內運行。內部48ms定時器在啟動階段開始計時，當OUT電壓上升超過預充電閾值((0.9 ×V{IN}))且((V{GATE }-V{OUT })>3V)時，啟動階段完成，進入正常運行模式。啟動成功完成16ms后，開漏電源良好輸出（PG）變?yōu)楦咦钁B(tài)。

（三）VariableSpeed/BiLevel故障保護

該保護機制采用具有不同閾值和響應時間的比較器來監(jiān)測負載電流，在正常運行（啟動期過后）時，通過在故障條件下放電MOSFET柵極來提供保護。在故障條件下，MAX15091A進入自動重試模式，而MAX15091則鎖存關閉。

（四）電荷泵

集成的電荷泵為內部功率MOSFET提供柵極驅動電壓，可在(V{IN})之上產生適當?shù)臇艠O驅動電壓，以充分增強內部功率MOSFET，并確保在正常狀態(tài)下實現(xiàn)低RON運行。啟動時，內部電荷泵以固定的5.7μA電流驅動MOSFET的GATE，以10V/ms的壓擺率（典型值）增強內部MOSFET?？赏ㄟ^連接外部電容（CGATE）從GATE到GND來降低啟動時的輸出壓擺率，CGATE可根據(jù)公式(C{GATE}=left(I{GATE} × Delta tright) / Delta V{GATE})計算。

（五）斷路器比較器和電流限制

通過內部功率MOSFET的電流會與斷路器閾值進行比較，該閾值由CB和GND之間的外部電阻根據(jù)公式(I{CB}=R{CB} / 2777.8)設置。斷路器比較器允許負載電流在跳閘前超過閾值一段時間，時間延遲與超過閾值的過載成反比，過流情況越嚴重，響應時間越快，使器件能夠耐受負載瞬變和接近斷路器閾值的噪聲。此外，器件還具備災難性短路保護功能，在正常運行時，若OUT直接短路到地，快速保護電路會迫使內部MOSFET的柵極快速放電，斷開輸出與輸入的連接。

（六）自動重試和鎖存關閉故障管理

在故障條件下，器件會關閉內部MOSFET，斷開輸出與輸入的連接。MAX15091A進入自動重試模式，在tRESTART時間延遲過后重啟；MAX15091則鎖存關閉，直到使能邏輯在tRESTART延遲后循環(huán)關閉和開啟。

（七）故障狀態(tài)輸出（FAULT）

FAULT是一個開漏輸出，在電流限制或過溫故障關閉發(fā)生時置低，直到下一個啟動周期。斷言時，F(xiàn)AULT能夠吸收高達5mA的電流。

（八）電源良好（PG）延遲

器件具有一個開漏電源良好輸出，在tPG延遲后斷言，表明OUT電壓已達到((0.9 ×V{IN}))且((V{GATE }-V_{OUT })>3V) 。

（九）內部穩(wěn)壓器輸出（REG）

器件包含一個線性穩(wěn)壓器，在REG輸出3.3V電壓，為器件的內部電路塊供電，除了從REG到EN連接的大于50kΩ的電阻外，不得外部加載。REG需要至少1μF的電容接地才能正常工作。

（十）電流報告輸出（ISENSE）

ISENSE引腳是一個精確電流檢測放大器的輸出，提供與流入主開關的負載電流成比例的源電流。工廠調整的電流比設置為170μA/A，通過在ISENSE和地之間連接電阻可產生縮放電壓，該電壓信號可輸入到ADC，提供給供電系統(tǒng)的電流的數(shù)字化信息。

（十一）熱保護

當由于過度功耗或高環(huán)境溫度導致過熱時，器件會進入熱關斷模式。當結溫超過(T_{J}=+150^{circ} C)（典型值）時，內部熱保護電路會關閉內部功率MOSFET。當結溫下降20°C（典型值）時，器件從熱關斷模式恢復。

（十二）IN到OUT短路保護

啟動時，在所有輸入條件（UV、OV、VUVLO）滿足后，器件會立即檢查IN到OUT的短路故障。若(V{OUT})大于(V{IN})的90%，內部MOSFET無法開啟，F(xiàn)AULT被斷言，MAX15091A在3.2s后進入自動重試模式，而MAX15091則鎖存關閉。若(V{OUT})低于(V{IN})的90%但大于(V{IN})的50%，內部MOSFET仍無法開啟，無故障斷言，當(V{OUT})低于(V_{IN})的50%時，MOSFET可開啟。

七、應用信息

（一）設置欠壓閾值

器件為內部MOSFET提供獨立的開/關控制（UV），輸入電壓范圍為2.7V至18V，默認欠壓鎖定閾值為2.5V（典型值）。只要(V{CC}<2.5V)或(V{UV}TH}) ，內部MOSFET就會保持關閉?？墒褂脧腎N到UV、OV和GND的電阻分壓器對欠壓鎖定閾值進行編程，計算公式為(R 1=left(frac{V{I N}}{V{U V{-} T H}}-1right) times(R 2+R 3))，其中(V{IN})是輸出的期望開啟電壓，(V{UVTH})為1.2V。在正常工作條件下，(V{UV})必須保持在其1.2V（典型值）閾值以上，若(V_{UV})低于閾值100mV（VUV_HYS），內部MOSFET將關閉，斷開負載與輸入的連接。{uv

（二）設置過壓閾值

器件還為內部MOSFET提供獨立的過壓啟用控制（OV）。當(V{OV})超過1.2V（典型值）閾值時，內部MOSFET關閉?？墒褂脧腎N到UV、OV和GND的電阻分壓器對過壓鎖定閾值進行編程，計算公式為((R 1+R 2)=left(frac{V{IN }}{V{OV _TH }} - 1right) × R 3)，其中(V{IN})是輸出的期望關閉電壓，(V_{OVTH})為1.2V。在正常工作條件下，(V{OV})必須保持在其1.2V（典型值）閾值以下，若(V{OV})高于(V{OV_TH})閾值，內部MOSFET將關閉，斷開負載與輸入的連接。

八、總結

MAX15091/MAX15091A集成熱插拔解決方案憑借其高集成度、靈活性和安全可靠的特點，為熱插拔應用提供了一個優(yōu)秀的選擇。無論是在刀片服務器、服務器I/O卡還是其他工業(yè)應用中，都能發(fā)揮重要作用。電子工程師在設計相關電路時，可根據(jù)具體需求合理配置該器件的各項參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的性能和可靠性。大家在實際應用過程中，有沒有遇到過類似熱插拔器件的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。