Auf einen Blick

Die Linear-Technology-Produktfamilie LTC4225, LTC4227 und LTC4228 minimiert die Leistungsverluste redundanter Stromversorgungen durch den Einsatz externer N-Kanal-MOSFETs. Fällt eine Eingangsspannung unter den Wert der gemeinsamen Ausgangsspannung, schaltet der entsprechende MOSFET ab und erfüllt damit Funktion und Leistung einer idealen Diode. Die mit 5 % eng ausgelegte Toleranz der Schaltschwelle des Trennschalters und die schnell agierende Strombegrenzung schützen die Stromversorgungen vor zu hohen Strömen.

Hochverfügbare Systeme wie µTCA-Netzwerke oder Server zur Datenspeicherung brauchen redundante Stromversorgungen, damit auch beim Ausfall eines Netzteils der Betrieb ohne Unterbrechung weiterläuft. Diese Redundanzschaltungen verwenden oftmals Leistungs-Schottky-Dioden in ihrer ORing-Schaltung. Auch in Systemen mit wechselnden Spannungsquellen wie AC-Netzteile und Backup-Batterien brauchen solche ORing-Schaltungen, um beide Quellen zu einer gemeinsamen Spannungsversorgung zu kombinieren. An Schottky-Dioden tritt jedoch in Flussrichtung ein Spannungsabfall auf und damit eine Verlustleistung. Die Wärme, die dabei entsteht, muss die Schaltung mit einer speziellen Kupferfläche auf die Leiterplatte oder auf Kühlkörper abführen. Beide Methoden benötigen zusätzlich signifikanten Platz.

Bild 1: Überblick über verschiedene Konfigurationen mit Messwiderstand und externen N-Kanal-MOSFETs für die Bausteine LTC4225, LTC4227 und LTC4228.

Bild 1: Überblick über verschiedene Konfigurationen mit Messwiderstand und externen N-Kanal-MOSFETs für die Bausteine LTC4225, LTC4227 und LTC4228.Linear Technology

Die Produktfamilie LTC4225, LTC4227 und LTC4228 minimiert diese Leistungsverluste, indem sie das Verhalten einer idealen Diode mithilfe externer N-Kanal-MOSFETs nachbildet. Diese MOSFETs minimieren im eingeschalteten Zustand den Spannungsabfall von der Versorgung an den Verbraucher. Wenn eine Eingangsspannungsquelle unter die gemeinsame Ausgangsspannung abfällt, schaltet sie der entsprechende MOSFET ab und erfüllt damit die Funktion und Leistung einer idealen Diode.

Die ideale Diode nachahmen

Der LTC4225 bildet eine ideale Diode nach, indem er einen zusätzlichen Strommesswiderstand und zwei in Reihe geschaltete N-Kanal-MOSFETs verwendet, mit separater Gate-Steuerung, Eingangsstrombegrenzung und Überspannungsschutz (Bild 1). Dadurch ist es möglich, die Baugruppe im laufenden Betrieb sicher in die Backplane einzustecken und wieder herauszuziehen (Hot-Swap), ohne dabei den Steckverbinder zu beschädigen.

Der LTC4227 kann einen MOSFET einsparen: er verwendet neben dem Strommesswiderstand und dem Hot-Swap-MOSFET einen parallel geschalteten Ideale-Dioden-MOSFET. Da der Strommesswiderstand zwischen Ideale-Diode- und Hot-Swap-MOSFET liegt, reagiert der LTC4228 im Vergleich zum LTC4225 schneller und erholt sich rascher von Spannungsabfällen am Eingang, um die Ausgangsspannung zu halten.

Die Bausteine LTC4225-1, LTC4227-1 und LTC4228-1 enthalten einen Latch Off-Trennschalter, der nach einem Fehler im ausgeschalteten Zustand bleibt, während die Bausteine LTC4225-2, LTC4227-2 und LTC4228-2 einen automatischen Wiederanlauf nach einem Fehler durchführen. Beide Bausteinfamilien sind, wie auch die Bausteine LTC4225, LTC4227 und LTC4228, in 4 × 4 mm2 großen QFN-Gehäusen mit 20, 24 und 28 Pins sowie in SSOP-Gehäusen erhältlich.

Bild 2: CPO und DGATE des Idealen-Dioden-Controllers auf high bringen, wenn die IN-Versorgung einschaltet.

Bild 2: CPO und DGATE des Idealen-Dioden-Controllers auf high bringen, wenn die IN-Versorgung einschaltet.Linear Technology

Dioden-Steuerung

Die beiden Bausteine LTC4225 und LTC4228 arbeiten als ideale Diode, indem sie die Spannung zwischen den IN- und OUT-Pins (IN- und SENSE+-Pins beim LTC4227) mit einem internen Gate-Treiberverstärker überwachen, der den DGATE-Pin treibt. Der Verstärker bringt den Pull-up-Widerstand schnell auf high und schaltet damit den MOSFET zur Steuerung der Diode ein, sobald er einen starken Abfall der Vorwärtsspannung (Flussspannung) erkennt (Bild 2).

Ein externer Kondensator, der zwischen den CPO- und IN-Pins geschaltet ist, liefert die Ladung, die nötig ist, um den Ideale-Dioden-MOSFET schnell einzuschalten. Eine interne Ladungspumpe lädt den Kondensator auf, sobald der Baustein einschaltet. Der DGATE-Pin zieht Strom aus dem CPO-Pin und liefert Strom an die IN-und GND-Pins. Der Gate-Treiberverstärker steuert den DGATE-Pin, um den Abfall der Vorwärtsspannung am Messwiderstand und den beiden externen N-Kanal-MOSFETs auf 25 mV zu halten.

Verursacht der Laststrom mehr als 25 mV Spannungsabfall, steigt die Gate-Spannung, um den MOSFET zu unterstützen, der die ideale Diode steuert. Kommt es zu einem Kurzschluss am Stromversorgungseingang bei leitenden MOSFETs, fließt ein hoher Rückstrom von der Last in Richtung Eingang. Der Gate-Treiberverstärker erkennt diesen Fehlerzustand sofort und schaltet den Ideale-Diode-MOSFET ab, indem er das DGATE auf low bringt.

Bild 3: Der Hot-Swap-Controller an HGATE startet und /PWRGD wird mit einer Verzögerung von 100 ms auf low gebracht, wenn ON auf high übergeht.

Bild 3: Der Hot-Swap-Controller an HGATE startet und /PWRGD wird mit einer Verzögerung von 100 ms auf low gebracht, wenn ON auf high übergeht.Linear Technology

Hot-Swap-Steuerung

Wird der On-Pin auf high und der low-aktive /EN-Pin auf low gebracht, erzeugt dies einen Entprellzyklus von 100 ms. Nach diesem Zyklus fährt ein 10-µA-Strom von der Ladungspumpe den HGATE-Pin hoch. Schaltet der Hot-Swap-MOSFET ein, wird der Einschaltstrom auf einen Pegel begrenzt, der von einem externen Messwiderstand eingestellt wird. Dieser ist beim LTC4225 zwischen den IN- und SENSE-Pins (SENSE+– und SENSE-Pins beim LTC4227 und LTC4228) geschaltet. Ein aktiver Strombegrenzungsverstärker unterstützt das Gate des MOSFETs, sodass eine Spannung von 65 mV am Strommesswiderstand entsteht.

Wenn die Messspannung von 50 mV die Verzögerung des Fehlerfilters überschreitet, das über den TMR-Pin konfiguriert wird, schaltet ein Trennschalter und bringt HGATE auf low. Falls erwünscht, kann der Einschaltstrom weiter reduziert werden, indem ein Kondensator zwischen HGATE und GND eingefügt wird. Übersteuert das Gate des MOSFET (HGATE auf die OUT-Spannung) und überschreitet 4,2 V, wird der low-aktive /PWRGD-Pin auf low gesetzt (Bild 3).

Bild 4: Der LTC4225 in einer µTCA-Applikation, um 12 V Spannung an zwei µTCA-Slots zu liefern.

Bild 4: Der LTC4225 in einer µTCA-Applikation, um 12 V Spannung an zwei µTCA-Slots zu liefern.Linear Technology

Ideale Diode und Hot-Swap-Steuerung kombinieren

In einer typischen µTCA-Applikation mit redundanten Stromversorgungen (Bilder 4 und 9) sind die Ausgänge an der Backplane per Dioden-ORing geschaltet, sodass Baugruppen entfernt und eingesetzt werden können, ohne das System vorher ausschalten zu müssen. Der LTC4225 und der LTC4228 haben beide eine zweifache Ideale-Diode- und einen Hot-Swap-Controller und eignen sich sehr gut für diese Anwendungen – sie ermöglichen ein sanftes Umschalten zwischen zwei Stromversorgungen und bieten Überstromschutz. Kommt es in der Hauptstromversorgung zu einem Leistungsverlust, reagiert der Controller schnell darauf und schaltet den Ideale-Dioden-MOSEFT der Hauptstromversorgung ab und den MOSFET der redundanten Stromversorgung ein und führt so zu einem sanften Schaltübergang am Lastausgang. Die Hot-Swap-Controller bleiben eingeschaltet, sodass sie den Übergang von einer Stromversorgung auf die andere nicht beeinflussen. Der Controller schaltet einen Hot-Swap-MOSFET ab, wenn der entsprechende ON-Pin auf low oder der /EN-Pin auf high gesetzt wird.

Bild 5: Der LTC4225 als zweikanalige Priorisierschaltung mit IN1 als Eingang mit der höheren Priorität.

Bild 5: Der LTC4225 als zweikanalige Priorisierschaltung mit IN1 als Eingang mit der höheren Priorität.Linear Technology

Kommt es zu einem Überstrom am Ausgang wird das Gate des Hot-Swap-MOSFET schnell nach unten gesetzt, anschließend die Ausgangsstrombegrenzung geregelt, bis die durch den TMR-Pin eingestellte Verzögerung des Fehlerfilters den Kondensator unterbricht. Der Hot-Swap-MOSFET ist abgeschaltet und der low-aktive /FAULT-Pin ist auf low verriegelt, um den Fehler anzuzeigen. Der elektronische Trennschalter wird zurückgesetzt, indem der ON-Pin unter 0,6 V gebracht wird.

Eine Stromversorgung priorisieren

In einer herkömmlichen Mehrfachstromversorgung mit Dioden-ORing, wird die Eingangsversorgung mit der höheren Spannung an den Ausgang weitergegeben, während die Versorgung mit der geringeren Spannung abgeschaltet ist. Bild 5 zeigt ein Backup-Stromversorgungssystem, bei dem die primäre 5-V-Stromversorgung (INPUT1) an den Ausgang weitergegeben wird, wann immer sie verfügbar ist, während die 12-V-Backup-Stromversorgung (INPUT2) nur dann abgerufen wird, wenn die primäre Stromversorgung keine Leistung liefert.

Solange wie INPUT1 über der 4,3-V-UV-Schaltschwelle liegt (UV: Undervoltage, Unterspannung), die vom Spannungsteiler R1-R2 am ON1-Pin eingestellt wird, ist MH1 eingeschaltet und verbindet INPUT1 mit dem Ausgang. Ist MH1 eingeschaltet, geht /PWRGD1 auf low, was wiederum ON2 auf low bringt und den IN2-Pfad deaktiviert, indem MH2 ausgeschaltet wird. Wenn die Primärstromversorgung ausfällt und INPUT1 unter 4,3 V abfällt, schaltet ON1 MH1 aus und /PWRGD1 geht auf high, was es ON2 erlaubt, MH2 einzuschalten und INPUT2 mit dem Ausgang zu verbinden. Die Ideale-Dioden-MOSFETs MH1 und MH2 verhindern unter allen Bedingungen das Rückführen eines Eingangs auf den jeweils anderen.

Bild 6: Der LTC4225 für Anwendungen mit dem Hot-Swap-MOSFET auf der Versorgungsseite und dem Ideale-Dioden-MOSFET auf der Verbraucherseite.

Bild 6: Der LTC4225 für Anwendungen mit dem Hot-Swap-MOSFET auf der Versorgungsseite und dem Ideale-Dioden-MOSFET auf der Verbraucherseite.Linear Technology

Rollentausch

Der LTC4225 ermöglicht Anwendungen mit in Reihe geschalteten MOSFETs, bei denen der MOSFET auf der Versorgungsseite als ideale Diode dient und der MOSFET auf der Lastseite als Hot-Swap-Steuerung (Bild 4) oder umgekehrt (Bild 6).

In Bild 6 kann eine Klemmung mit einer externen Zenerdiode zwischen den GATE- und SOURCE-Pins des MOSFET nötig sein, um zu verhindern, dass der MOSFET zerstört wird, wenn die MOSFET-Gate-Source-Spannung für weniger als 20 V ausgelegt ist. In jeder Anordnung schaltet der LTC4225 mit seinem ORing zwischen den IN- und OUT-Pins sanft von einer Stromversorgungen auf die andere um.

Zweifache ideale Diode und einfache Hot-Swap-Steuerung

Bild 7: Der LTC4227 ist hier konfiguriert für auf der Baugruppe sitzende Dioden-ORing-Applikationen mit Hot-Swap-Steuerung.

Bild 7: Der LTC4227 ist hier konfiguriert für auf der Baugruppe sitzende Dioden-ORing-Applikationen mit Hot-Swap-Steuerung.Linear Technology

Bild 7 zeigt eine LTC4227-Anwendung in der ein Messwiderstand nach den parallel geschalteten Ideale-Dioden-MOSFETs einer Zweifachversorgung angeordnet ist, gefolgt von einem Einfach-Hot-Swap-MOSFET. Hier regelt der LTC4227 einen überlasteten Ausgang auf den Wert der Strombegrenzung vor einer Fehler-Zeitüberschreitung, statt auf den doppelten Wert wie in der LTC4225-Anwendung mit Dioden-ORing. Als Resultat wird während einer Überlastung die Verlustleistung reduziert.

Der low-aktive /D2ON-Pin des LTC4227 erlaubt es, die IN1-Stromversorgung einfach zu priorisieren. Bild 8 zeigt als Beispiel einen simplen Widerstandsteiler, der IN1 mit dem /D2ON-Pin verbindet, sodass die IN1-Stromversorgung die höhere Priorität hat, solange bis IN1 unter 2,8 V abfällt, wobei MD2 eingeschaltet wird und der Dioden-ORing-Ausgang von der 3,3-V-Stromversorgung bei IN1 auf die 3,3-V-Hilfsversorgung bei IN2 umschaltet.

Bild 8: Die Stromversorgung IN1 steuert das Einschalten der IN2-Stromversorgung über /D20N des LTC4227.

Bild 8: Die Stromversorgung IN1 steuert das Einschalten der IN2-Stromversorgung über /D20N des LTC4227.Linear Technology

Schnellere Erholung des Ausgangs

Wenn in der LTC4225-µTCA-Anwendung, die in Bild 4 dargestellt ist, eine der Eingangsversorgungen vorübergehend ausfällt und die andere nicht verfügbar ist, wird HGATE auf low gesetzt, um den Hot-Swap-MOSFET auszuschalten, da die IN-Versorgung unter die Schaltschwelle der Unterspannungssperre abfällt. Hat sich die Eingangsversorgung wieder erholt, erhält HGATE die Erlaubnis, den MOSFET einzuschalten. Da es eine Zeitlang dauert, bis HGATE und die aufgebrauchte Ausgangskapazität aufgeladen sind, kann die Ausgangsspannung während dieser Periode ausfallen.

Bild 9: Der LTC4228 für den Einsatz in µTCA-Anwendungen, um 12 V Spannung an zwei µTCA-Slots zu liefern.

Bild 9: Der LTC4228 für den Einsatz in µTCA-Anwendungen, um 12 V Spannung an zwei µTCA-Slots zu liefern.Linear Technology

In dieser Situation bietet der LTC4228 einen Vorteil gegenüber dem LTC4225, da er sich schneller erholt, um die Ausgangsspannung beizubehalten. Wie in Bild 9 dargestellt, ist der Messwiderstand zwischen Ideale-Dioden- und Hot-Swap-MOSFET platziert. Dadurch kann die Spannung des SENSE+-Pins temporär von der Kapazität der Ausgangslast gestützt werden, wenn die Eingangsversorgungen zusammenbrechen. Dies verhindert, dass die SENSE+-Spannung in die Unterspannungssperre abfällt und den Hot-Swap-MOSFET ausschaltet. Wenn sich die Eingangsspannung erholt, lädt sie die erschöpfte Lastkapazität auf und liefert sofort wieder Strom an die nachgelagerte Last, da der Hot-Swap-MOSFET eingeschaltet bleibt.