ADM4210热插拔控制器的原理及应用

1 引言
    “热拔插”是指将板卡与带电丁作底板进行插拔，即带电插拔。当板卡插入时，工作底板已处于稳定T作状态，所有电容均被充满电，而待插人的板卡是不带电的，板卡的电容没有电荷。因此，当板卡与工作底板接触时，由于板卡上电容的充电从工作底板电源吸入较大的瞬时电流。当把带电的板卡拔出工作底板时，由于板卡上旁路电容的放电，在板卡与带电背板间形成一条低阻通路，将产生较大的瞬时电流。这两种情况下较大的瞬时电流。使工作底板电源出现瞬时跌落．从而引发底板工作状态错误。更为严重的会导致连接器、电路元件、电路板的金属连线等部件或器件的损坏。ADM4210热插拔控制器，通过外接一个N沟道功率场效应管MOSFET和少数外围元件，即可实现板卡与带电工作底板间的安全热插拔。ADM4210热捕拔控制器可用于电子设备中工作底板，也可以用于移动的板卡。

2 ADM4210结构
2．1 内部结构
    ADM4210内部主要结构包括：欠压锁定电路，消抖滤波比较器，MOSFET栅极驱动器，电流控制环，延时断路器，定时器等。如图1所示。

2．2 欠压锁定电路
    ADM4210工作电压2．7~16．5 V，欠压锁定电路检查输入电压是否足以保证器件正常工作。当输入电压低于欠压锁定电压(UALO)，欠压锁定电路使ADM4210保持复位，GATE引脚接地，MOSFET断开；当输入电压达到工作电压范围且0N引脚为高电平，器件启动，同时0N引脚的外接分压电阻用来设置一个比内部欠压锁定高的锁定电压。
2．3 消抖滤波比较器
    0N为器件使能引脚，连接内部1．3 V门限的消抖滤波比较器。0N低电平，ADM4210重启，通过GATE接地，关断外部的MOSFET：0N高电平，器件工作。在插拔电路板时，内部存在大约3 μs的消抖滤波延时，0N引脚外接RC滤波电路可延长插拔电路板延时时间。
2．4 MOSFET栅极驱动器
    内部电荷泵实现外部N沟道MOSFET栅极驱动，电荷泵给栅极驱动器提供12μA的上拉电流。在热插拔电路板时，会突然出现电流浪涌，总线上的电压下降影响相邻电路板正常工作，引发系统故障。MOSFET栅极驱动器通过控制外部MOSFET栅极电压，最小化故障引发的总线电压下落。保护邻近电路板。在欠压锁定模式，通到GATE引脚强大的下拉电路保持GATE引脚低电平，进而减小热插拔时的浪涌电流。当电路过流时，MOSFET栅极驱动器电路尽力保持负载恒流直到断路器响应。
2．5 电流控制环
    ADM4210通过外部的感应电阻两端的电压降监测电路电流，当大电流出现时，通过降低外部MOSFET栅极电压．保持感应电阻两端压降50 mV，此电流控制环响应快速．能有效的控制浪涌电流。
2．6 延时断路器
    断路器是一种过流保护装置。串接在电源与负载之间。当发生过流或短路故障时，断路器自动跳闸使负载断开电源。电路负载阻抗过低或短路等情况，感应电阻电流接近电流限制，断路器定时器初激活，若电流回落，定时器复位。当感应电阻电压降到44 mV以下时，定时器关闭；相反．如果电路过电流持续，过流时间达到断路器延时周期，GATE引脚关闭。
2．7 定时器
    TIMER引脚外接定时电容CTIMER，控制上电初始化周期、断路器延时周期，以及自动重试的脉冲周期(针对ADM4210—1)。通过选择不同的上拉(5μA、60μA)或下拉电流(2μA、100μA)给TIMER引脚外接的定时电容充放电，来控制不同功能周期的时间长短。TIMER引脚内接高低端电压比较器，TIMER引脚电压与COMPl(0．2 V)和COMP2(1.3 V)电压比较实现上电启动、过流关断、自动重试等功能的选择。

3 引脚功能
    ADM4210采用6引脚TSOT封装，各引脚功能见表l。

4 性能特点
    ①2．7～16．5V的工作电压范围；②提供电路板热插拔保护；③断路器跳断电流限制通过外部感应电阻可调；④峰故障电流响应快速；⑤电荷泵栅极驱动控制外部MOSFET开关：⑥支持故障后自动重试模式(ADM4210—1)；⑦支持故障后自动锁断模式(ADM4210—2)；⑧支持欠压锁定。

5 工作原理
    板卡与工作底板进行热插拔时，通过外接的感应电阻RSENSE监测负载电流，若电路出现过流、短路故障，ADM4210将降低MOSFET的栅极电压进入限流模式．同时开启断路器延时定时器，如果限流延时期满故障仍未排除。ADM4210将断开外接MOSFET，切断电路连接。故障后的处理，ADM4210的两种型号器件略有不同：①ADM4210一l进入自动重试模式，即故障出现后，器件在重试延时周期结束时自动重试连接电路，直到故障排除；②ADM4210—2则进人锁断模式，即故障出现后，器件将锁断电路连接，直到外部提供复位信号，器件才重新启动连接电路。ADM4210主要工作过程包括上电启动和故障保护。
5．1 上电启动
    上电后，ON引脚为低电平，ADM4210复位，GATE引脚被下拉为低电平，MOSFET断开，TIMER引脚被100μA电流下拉为低电平，当ON引脚升为高电平(大于1．3 V)，如图2位置2，同时输入端电压高于欠压锁定电压UALO，TIMER引脚低于0.2 V，启动过程开始。内部电路通过5μA电流给TIMER引脚定时电容CTIMER充电，当TIMER引脚电压达到COMP2(1.3 V)，初始化第一阶段结束，如图2位置3，然后改用100μA下拉电流给电容CTIMER放电，直到TIMER引脚电压低于O．2 V，图2位置4，初始化过程结束。启动周期开始．TIMER引脚电平继续降低，GATE引脚被拉为高电平。MOS-FET闭合，电路接通，启动完成。

5．2 故障保护
    当感应电阻电压超过断路器的跳断电压，定时电容CTIMER通过60 μA上拉电流充电，若在TIMER引脚电平达到1.3 V前，感应电阻电压降到断路器跳断电压以下，定时电容CTIMER通过2μA的下拉电流放电，断路器并不关断电路，这样保证了瞬间过流不影响电路正常工作。但是，若过流持续，60μA上拉电流断续给定时电容充电，当TIMER的引脚电压超过l.3 V，GATE引脚被拉为低电平，外部MOSFET断开电路连接，如图3所示。

    (1)ADM4210—1自动重试模式 当TIMER引脚电压超过1.3 V，ADM4210—1改用2μ下拉电流给定时电容放电，当TIMER引脚电平降到COMPl(0．2 V)，用100μA下拉电流给定时电容快速放电，同时GATE引脚升为高电平，重试接通电路，如图3所示。自动重试周期由定时电容确定，占空比为2μA／60μA，大约3．8％，即重新检测电流周期中，3．8％时间电路连通tON，96．2％时间电路断开￡。，这样可以确保器件有足够时间冷却。

    (2)ADM4210—2锁断模式 当TIMER的引脚电压超过1．3 V，ADM4210—2改用5μA上拉电流继续给定时电容充电，维持TIMER引脚电平高于1.3 V、GATE引脚低电平，电路保持开路。直到0N引脚出现低电平或将TIMER引脚电平拉低，芯片复位，如图4所示。

6 实际应用电路设计
6．1 ADM4210热插拔保护电路
    ADM4210构成的热插拔保护电路如图5所示，上电启动信号如图6所示。

6．2 外围器件选择
    (1)N沟道MOSFET MOSFET管额定电流必须满足负载电流的要求，在满负荷范围内，MOSFET导通电阻比应足够小．以降低栅漏间的压差，减小功耗。
    (2)感应电阻RSENSE监测感应电压，电压比较器门限电压为50 mV，选择感应电阻时应保证当负载过流时，感应电阻电压不低于50 mV，过载电流一般设置为正常工作时负载电流的1倍。例如，负载正常工作电流为100 mA，则RSENSE=50 mV／(2×100 mA)，即0.25Ω。
    (3)定时电容CTIMER定时器通过不同的内部电流对定时电容充放电，以及不同触发电平选择，确定不同功能电路周期，即初始化周期tINTIAL，断路器延时周期tBREAKER以及自动重试周期tRETRY(针对ADM4210一1)，根据图2上电启动过程，初始化周期为272．9 ms／μF，由图3和图4故障保护过程可知，断路器延时周期为21．6 ms／μF，自动重试周期21．7 ms／μF，计算过程如下：

   
    例如，当定时电容为0．22μF时，初始化周期为60 ms，断路器延时周期4．75 ms，自动重试周期4．77 ms。

7 结语
    ADM4210为电路提供欠压、过压、过流和短路保护，在不响应工作底板正常运行情况下，完成板卡的热插拔。除此之外，ADM4210还可广泛应用于电路电源保护器，工业高端开关和高端电路的断路器，电子电路的断路器等场合，具有极高的应用价值和广泛的应用前景。