負の低電圧ホットスワップ回路を作成する3つの方法

要約

このアプリケーションノートは負の低電圧ホットスワップ回路を作成する3つの方法を詳述します。それはこの機能を果たすICが一般的には入手不可能であるためです。2つの方法は正の電源と共に動作し、3番目の方法は単一の負電源のみと共に使用するのに適しています。

同様のアプリケーションノートが、｢Power Electronics Technology｣の2008年7月号に掲載されています。

はじめに

通常の正電源アレイに加えて、ライブのバックプレーンにホットプラグする必要がある多くのシステムは、最低1つの-5Vまたは-5.2V電源を使用します。これらのアプリケーションで使用するためのさまざまな正の低電圧ホットスワップコントローラがありますが、負の低電圧コントローラは少なく、ほとんどありません。負のホットスワップ回路が必要になるのは、通常正の低電圧ホットスワップ回路も使用されている場合であるため、正の電源電圧の助けを借りて負電圧回路を作成することは有用です。

このアプリケーションノートはデュアルの+5V/-5.2V電源によるホットスワップ制御を実現するための2つの回路を提示します。1つは各チャネルに対して個別のコントローラを使用する2チップ設計を採用し、別の方法は両チャネルに対して単一のコントローラを使用します。3番目のシングルチップ設計も単一の-5.2V電源によるホットスワップの実行用に提示します。3つの回路はすべて起動遅延制御された突入電流を備えたプラグインホットスワップ回路の機能を提供しますが、1つの回路にのみ、過負荷検出および回路ブレーカ機能があります。

図1の2チップソリューションは負および正の電圧チャネルの両方に対して、個別の回路ブレーカ動作が可能です。図2と図3に示した2つの単一チップ回路は起動時の突入電流制御を提供しますが、負電圧チャネルに対して、電流制限または回路ブレーカ機能のいずれも提供しません。

2チップソリューション

図1は+5Vチャネルと-5.2Vチャネルの両方に対して電流制限および回路ブレーカ機能を含む完全なホットスワップ機能を提供します。この回路は+5Vチャネルに対して正の低電圧コントローラのMAX4272を使用します。負の低電圧ホットスワップコントローラが入手不可能であるため、この回路は-5.2Vチャネル用に負高電圧コントローラのMAX5900を使用します。MAX5900の通常のグランド接続を+5V電源基準にすると、その結果、+10.2Vの差動電源によってMAX5900は-9V～-100Vの範囲内での動作が可能になります。MAX5900が特別に選択されたのは、最小動作電圧が-9Vと小さいからです。MAX4272は使用可能な多数の正の低電圧コントローラの1つに過ぎませんが、これを選択したのは、8ピンのパッケージに完全な機能セットを備えているためです。

各チャネルはおよそ1Aの過負荷フォルトシャットダウンに設定されており、フォルト状態が終わると自動再起動します。MAX5900は電流検出抵抗としてM2のMOSFETのR_DS(ON)を使用し、V_SENSEのトリップポイントは200mVです。M2のR_DS(ON)を0.2Ωに選択すると、およそ1Aの過負荷トリップポイントが可能になります。遅延とタイミング情報に関しては個別のデータシートを参照してください。

Figure 1. A two-chip approach to providing hot-swap control on positive and negative low-voltage supplies provides overload fault detection on both channels.
図1. 正および負の低電圧電源にホットスワップ制御を提供する2チップ法が両方のチャネルに過負荷フォルト検出を提供します。

1チップソリューション

図2の回路は両方のチャネルに電流制限されたホットスワップ起動制御を提供しますが、+5Vチャネルに対してのみ電流制限および回路ブレーカ機能があります。この1チップソリューションは2チャネルコントローラのMAX5904を1つ使用して、+5Vと-5.2Vチャネルの両方を制御します。MAX5904は通常、2つの正電圧チャネルを制御しますが、図示する回路を使用して、1つの正電圧および1つの負電圧チャネルを制御することが可能です。MAX5904が選択されたのは、2チャネル機能があること、および必要とする外付け部品が少ないからです。

次のような構成にすると、MAX5904は+5Vチャネルを完全な回路ブレーカ機能を備え+10.2V回路として取り扱い、-5.2Vチャネルを+5.2V回路であるかのように扱います。

MAX5904のGND端子を-5.2Vに接続する
IN1およびSENSE1端子をグランドに接続する
IN2端子を+5Vに接続する

MAX5904がオフモードにある場合は、両方のゲートは-5.2Vにプルダウンされます。オンモードでは、GATE2ドライブはV_IN2よりも5.4V高く、GATE1ドライブはV_IN1よりも5.4V高くなります。このように通常の突入電流制限されたターンオン機能が+5Vおよび-5.2Vチャネルの両方に対して提供されます。このような方法で使用すると、負電圧チャネルには回路ブレーカ機能動作の使用は不可能です。したがって、負電源回路を保護するために、ヒューズが使用されています。

負チャネルのフォルトはMAX5904によって認識されませんが、+5Vチャネルのフォルトによって両チャネルはシャットダウンされます。両チャネルとも、オートリトライの遅延時間の後に再起動します。オン/オフ機能のロジック制御のためにON端子を取り出すことができますが、MAX5904がGNDでなく、-5.2Vを基準にしているため、簡単なレベルシフタが必要です。

Figure 2. A single-chip solution provides inrush-current-limited turn-on functionality to positive and negative supplies, but without a circuit-breaker function on the -5.2V channel.
図2. シングルチップソリューションは正および負電源に対して突入電流が制限されたターンオン機能を提供しますが、-5.2Vチャネルには回路ブレーカ機能がありません。

シングルチャネルソリューション

図3の-5.2Vシングルチャネルホットスワップ回路は正の低電圧ホットスワップコントローラのMAX4272を使用して、完全な起動制御を提供します。MAX4272のGND端子は-5.2V電源に接続され、他方、INおよびSENSE端子は回路のグランドに接続されています。その場合、MAX4272は、回路には検出抵抗がなく、したがって、過負荷回路ブレーカ動作が提供されないことを除いて、+5.2V回路であるかのように動作します。MAX4272は選択可能な幾つかの適切なコントローラの1つに過ぎませんが、必要とする外付け部品が比較的少ないために選択されました。

Figure 3. A single-chip design provides hot-swap control without circuit-breaker function on a single negative supply, while also allowing for adjustment of the turn-on voltage.
図3. シングルチップの設計は１つの負電源に回路ブレーカ機能のないホットスワップ制御を提供し、ターンオン電圧の調整も可能です。

MAX4272のON端子は回路グランドにじかに接続可能で、回路は-5.2V電源が-2.4Vに達してから150ms後に起動します。この代わりに、抵抗R1とR2を回路に加えて、+5Vに近いターンオン電圧を設定することができます。所望のターンオン電源電圧でON端子が負電圧電源よりも0.6V以上大きくなるように分圧比R1/(R1 + R2)を調整します。

起動時には内部に電流制限がなく、したがって、ターンオン時にゲート電圧の立上り時間を遅らすためにCGが備えられています。内部のゲートドライブはおよそ100µAに設定されているため、負荷コンデンサは次の式で規定される速度で充電されます。

Equation 1.