Controlador de baja tensión en caliente con control de la corriente de irrupción

El LTC4216 es un controlador de intercambio en caliente de baja tensión que permite insertar y extraer una tarjeta de forma segura de una placa base en funcionamiento. El LTC4216 está diseñado para cumplir los últimos requisitos de alimentación de placas de bajo voltaje con su exclusiva función de control de la tensión de carga de 0 V a 6 V. También cuenta con un arranque suave ajustable para limitar la corriente de arranque y controlar la velocidad de giro de la corriente en el arranque, lo cual es importante para los grandes condensadores de carga típicos de las aplicaciones de baja tensión.

Cuando una placa se conecta a un backplane, las corrientes de entrada pueden ser lo suficientemente grandes como para crear un fallo en la alimentación de la carga, provocando el mal funcionamiento de otras placas del bus. El LTC4216 ofrece un punto de disparo del disyuntor bajo (25 mV) con un tiempo de respuesta ajustable y una limitación de corriente analógica para la protección de sobrecorriente de doble nivel. También incluye un accionamiento de puerta de lado alto para un MOSFET de canal N externo. La figura 1 muestra un circuito que utiliza el LTC4216 como controlador de intercambio en caliente para una alimentación de carga de 1,8 V.

Figura 1: Una aplicación de intercambio en caliente de 1,8 V.

El LTC4216 puede controlar tensiones de carga tan bajas como 0V porque proporciona dos pines separados: El pin SENSEP para monitorizar las tensiones de carga de 0V a 6V y VDC para alimentar los circuitos internos del aparato con un mínimo de 2,3V. Una red RC como la que se muestra en la figura 1 puede conectarse a la VDC para superar las subidas de tensión durante los cortocircuitos de salida o los transitorios de las placas adyacentes. Estas fluctuaciones de energía pueden hacer que el dispositivo entre en una condición de bloqueo por subtensión, haciendo que se reinicien sus bloqueos internos.

La tensión de salida se controla mediante un divisor resistivo conectado al pin de retroalimentación (FB), y un comparador FB con una referencia de 0,6V. El comparador FB tiene un filtro de parpadeo incorporado para eliminar cualquier transitorio no deseado que aparezca en la patilla FB. Cuando la tensión de la patilla FB supera los 0,6V, señala el RESET es alto después de un retardo de encendido definido por un condensador externo en el pin TIMER. El retraso viene dado por :

ecuación1

El LTC4216 dispone de una función de arranque suave que controla la velocidad de la corriente de entrada durante el encendido (Figura 2). La velocidad se controla mediante un condensador externo conectado entre el pin de arranque suave (SS) y tierra. Un amplificador analógico limitador de corriente (ACL) incorporado esclaviza el pin GATE para seguir la velocidad de subida del SS durante el encendido. Hay dos pendientes en el perfil de rampa SS: un pull-up de 10µA para la velocidad de rampa normal, y un pull-up de 1µA para la velocidad de rampa lenta. La lenta velocidad de rampa de SS permite encender la puerta del MOSFET externo con un pequeño paso de corriente de arranque. Cuando la corriente de carga comienza a fluir a través de la resistencia de detección externa, SS vuelve a una velocidad de rampa normal. Al final de la rampa de SS, el GATE se utiliza para limitar la corriente de carga a 40 mV a través de la resistencia de detección durante el arranque. Si la tensión a través de la resistencia de detección cae por debajo de 40 mV debido a la reducción de la corriente de carga, el amplificador ACL se apaga y el GATE continúa la rampa con un pull-up de 20µA.

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Figura 2: Encendido con arranque suave para el control de entrada.

La figura 3 muestra otro enfoque del método de arranque suave para limitar la corriente de arranque durante el encendido para un condensador de carga grande. Se conecta un condensador externo, C4, desde la clavija GATE a tierra para limitar la corriente de entrada oscilando la tensión de la clavija GATE. Con una corriente de pull-up del GATE de 20µA, la velocidad de giro del GATE viene dada por :

ecuación2

donde CISS es la capacidad de entrada de la puerta del MOSFET externo. La corriente de irrupción a través del condensador de carga, CCARGAse limita a :

ecuación3

Figura 3. Aplicación con un condensador GATE externo para mejorar el control del consumo de corriente.

Para la aplicación mostrada, CCARGA = 470µF, C4 = 22nF y CISS = 3nF, IINRUSH = 376mA. Si CCARGA es muy grande y IINRUSH supera el límite de corriente analógica, el actuador GATE controla la corriente de entrada a 40mV/RSENTIDO.

La corriente de carga se detecta controlando la tensión a través de una resistencia de detección externa, RSENTIDOconectado entre los pines SENSEP y SENSEN en la Figura 1. El disyuntor electrónico (ECB) se dispara a 25 mV a través de la resistencia de detección durante una condición de sobrecarga. El tiempo de respuesta es ajustable mediante un condensador externo conectado entre la patilla FILTRO y tierra. Cuando se supera el punto de disparo del BCE, la patilla FILTRO carga el condensador externo con un pull-up de 60µA. De lo contrario, es arrastrado por una corriente de 2,4µA. Cuando la tensión de la patilla FILTER supera los 1,253 V, el ECB se dispara y la patilla GATE se pone inmediatamente a nivel de tierra para desconectar la placa de la fuente de alimentación de la placa base. El sitio FALLO también se pone a nivel bajo cuando se dispara el BEC. Para volver a conectar la placa, hay que tirar de la clavija ON por debajo de 0,4V durante al menos 100µs para reiniciar el BEC, o la VCC la tensión del pin debe ser inferior a 2V durante más de 200µs.

Además de un disyuntor electrónico (ECB), el LTC4216 incluye un amplificador limitador de corriente analógico (ACL) que no requiere un condensador de compensación externo en el pin GATE. La estabilidad del amplificador se compensa con la gran capacidad de entrada de la puerta (CISS ≥ 1nF) del MOSFET externo utilizado. La clavija GATE está esclavizada para limitar la corriente de carga a 40mV/RSENTIDO. El umbral ACL (40mV) es 1,6 veces mayor que el umbral de disparo del BCE (25mV) para proporcionar un sentido de corriente de doble nivel. Cuando la salida está limitada por la corriente, supera el punto de disparo del BCE, lo que hace que el pin FILTRO cargue el condensador externo con un pull-up de 60µA. Si la condición persiste lo suficiente como para que la tensión del pin FILTRO alcance su umbral, el GATE se pone a nivel bajo y DEFAULT está bloqueado a bajo nivel. Si la tensión a través de la resistencia de detección supera los 40 mV durante una condición de sobrecarga, el amplificador LCD tira del GATE hacia abajo en un intento de controlar la corriente de carga. Para una ligera sobrecarga de corta duración, el amplificador LCD puede controlar inmediatamente la corriente de carga. Sin embargo, en el caso de una sobrecarga grave, la corriente de carga puede superar el límite porque el MOSFET tiene inicialmente una gran sobrecarga de puerta. La puerta se descarga rápidamente a tierra, y entonces el amplificador LCD toma el control.

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La figura 4 muestra una secuencia de encendido normal con una gran carga de condensadores en la figura 1. Cuando el VDC se eleva por encima de 2,1V y el pin ON está por encima de 0,8V, el LTC4216 inicia el primer ciclo del temporizador. Una fuente de corriente de 2µA carga un condensador externo (C1) conectado entre la patilla TIMER y tierra. Cuando la tensión de la patilla del temporizador supera los 1,253 V, la patilla del temporizador se pone a nivel bajo y C1 se descarga. A continuación, se activa el disyuntor electrónico (ECB) y se inicia un ciclo de rampa GATE. GATE se mantiene bajo inicialmente por el amplificador LCD hasta que SS pasa de un consumo de 10µA a un consumo de 1µA para una velocidad de rampa más lenta. La velocidad de giro de la corriente de irrupción se controla a medida que GATE aumenta gradualmente, siguiendo la velocidad de rampa de SS. SS vuelve a una velocidad de rampa normal cuando la corriente de carga empieza a fluir a través de la resistencia de detección. Al final de la rampa SS, GATE sigue subiendo con un pull-up de 20µA si la salida no está limitada en corriente. El segundo ciclo de retardo comienza cuando la tensión del pin FB supera los 0,6V RESET se eleva después de un ciclo completo de permanencia, indicando que la potencia es buena.

Figura 4: Secuencia de encendido con carga.

La figura 5 muestra el encendido con un cortocircuito en la salida de la figura 1. Tras el ciclo de retardo inicial, el GATE sube y el MOSFET externo se activa. La corriente de carga aumenta debido al cortocircuito en la salida, lo que hace que la tensión a través de la resistencia de detección aumente por encima de 25 mV. El pin FILTRO carga el condensador externo con un pull-up de 60µA mientras la salida está en límite de corriente. La corriente de salida está limitada a 40 mV/RSENTIDO que regula el GATE. Cuando la tensión de la patilla FILTER supera los 1,253 V, el disyuntor electrónico se dispara y tanto GATE como SS se bajan. El dispositivo se bloquea y FALLO se tira hacia abajo, indicando una condición de fallo. El condensador FILTRO se descarga mediante un pull-down de 2,4µA hasta que el dispositivo se reinicia.

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Figura 5: Encendido con cortocircuito en la salida de 1,8V.

La figura 6 muestra una aplicación que intenta encender automáticamente la placa después de que el disyuntor electrónico (ECB) se haya disparado debido a un cortocircuito en la salida de alimentación de la carga. La clavija ON está en cortocircuito con el FALLO y se tira hacia arriba mediante una resistencia de 200kΩ (RAUTO) a la alimentación de la carga. Un condensador de 1µF (CAUTO) conectado al extremo inferior de RAUTO a tierra establece el ciclo de reintento automático de funcionamiento. El LTC4216 volverá a intentarlo mientras persista el cortocircuito. RAUTO y CAUTO debe seleccionarse para mantener el ciclo de trabajo bajo para evitar el sobrecalentamiento del MOSFET externo de canal N.

Figura 6. Aplicación de reintentos automáticos.

La figura 7 muestra el ciclo de reintento automático cuando la salida de 5V está en cortocircuito a tierra. El BEC se activa cuando la tensión del pin FILTRO supera los 1,253 V después del primer ciclo de tiempo de espera. Esto hace que el FALLO debe ser bajado por un dispositivo interno de canal N y CAUTO se descarga a tierra. El pin GATE se tira inmediatamente a tierra para desconectar la placa. Cuando el pin ON cae por debajo de 0,4V durante más de 100µs, el BCE se reinicia. El dispositivo interno de canal N del FALLO está desactivado y RAUTO comienza a cargar CAUTO lentamente hacia el suministro de carga.

Figura 7. Repetición automática de la prueba de cortocircuito en la salida de 5 V.

Cuando la patilla ON supera los 0,8V, el LTC4216 intenta reconectar la placa e iniciar el primer ciclo del temporizador. Con un cortocircuito en la salida de 5V en la Figura 6, el BCE se dispara cuando la tensión del pin FILTER supera los 1,253V después del primer ciclo de tiempo de espera. El ciclo completo se repite hasta que se elimina el cortocircuito. La duración de cada ciclo viene dada por el tiempo necesario para cargar CAUTO dentro de los 0,8V de la tensión de la clavija ON, después de la FALLO se tira hacia abajo y se retrasa el primer ciclo de sincronización. Con RAUTO = 200kΩ, CAUTO = 1µF y C1 = 100nF, el tiempo de ciclo es de 85 ms. El MOSFET externo se enciende durante unos 2 ms, lo que supone un ciclo de trabajo del 2,3%.

El controlador de intercambio en caliente LTC4216 está diseñado para manejar tensiones de alimentación muy bajas, de hasta 0V. Su función de arranque suave ajustable controla la velocidad de giro de la corriente de irrupción en el arranque, lo que es importante con condensadores de carga grandes utilizados en sistemas de baja tensión. El amplificador limitador de corriente analógico, el disyuntor electrónico con un punto de disparo bajo de 25 mV y el tiempo de respuesta ajustable proporcionan una protección de sobrecorriente de doble nivel.

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