探索MAX5913A/MAX5914A：+48V 四路熱插拔控制器在PoE中的應(yīng)用

在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)通信和電信領(lǐng)域，Power-over-Ethernet（PoE）技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它能夠在以太網(wǎng)上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電力，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署和管理帶來(lái)了極大的便利。MAX5913A/MAX5914A作為Maxim公司推出的+48V四路熱插拔控制器，為PoE系統(tǒng)提供了強(qiáng)大而可靠的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5913A/MAX5914A是一款四路熱插拔控制器，能夠獨(dú)立控制四個(gè)外部n溝道開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)從單一VCC電源線對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行熱插拔操作。這意味著在不中斷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的情況下，用戶可以安全地插入和移除電力設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和靈活性。其工作電源電壓范圍在+35V至+72V之間，適用于Power-Over-Media-Dependent Interface（MDI）等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、產(chǎn)品特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持+35V至+72V的寬輸入電壓范圍，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。

2. 符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)

確保與PoE標(biāo)準(zhǔn)兼容，能夠與各種符合標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無(wú)縫對(duì)接。

3. 四路獨(dú)立電源開(kāi)關(guān)控制器

每個(gè)通道都可以獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)負(fù)載的精確管理。

4. 開(kāi)路檢測(cè)器

能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)負(fù)載是否開(kāi)路，當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)路時(shí)，及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，保護(hù)系統(tǒng)安全。

5. 片上電荷泵

用于驅(qū)動(dòng)外部n溝道FET，提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，確保開(kāi)關(guān)的可靠動(dòng)作。

6. 電流檢測(cè)功能

通過(guò)外部電阻實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，能夠精確監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，為系統(tǒng)的保護(hù)和控制提供依據(jù)。

7. 折返式電流限制

當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)降低電流限制，減少外部功率FET在輸出過(guò)載和短路情況下的功耗，提高系統(tǒng)的可靠性。

8. +32V輸入欠壓鎖定

當(dāng)VCC電壓低于+32V時(shí)，F(xiàn)ET不會(huì)開(kāi)啟，防止在低電壓下設(shè)備異常工作。

9. 片上+12V、100mA電壓繼電器驅(qū)動(dòng)器

能夠驅(qū)動(dòng)低電壓+3.3V繼電器，為系統(tǒng)的控制和保護(hù)提供更多的選擇。

三、電氣特性

1. 電源供應(yīng)

• 模擬電源電壓（VCC）：測(cè)量范圍為35V至72V，確保在不同的電源環(huán)境下正常工作。
• 模擬電源電流（IS）：在不同的溫度和電壓條件下，電流范圍有所不同，能夠滿足系統(tǒng)的功耗需求。
• 數(shù)字電源電壓（VDD）：范圍為2.5V至3.7V，為數(shù)字電路提供穩(wěn)定的電源。
• 數(shù)字電源電流（IDD）：當(dāng)所有邏輯輸出為高且RTIM未連接時(shí)，電流范圍為1.1mA至3mA。

2. 反饋輸入和電流檢測(cè)

• 輸出檢測(cè)偏置電流（IFP）：當(dāng)VOUT_等于VCC時(shí)，電流為2μA。
• 初始反饋電壓（VFB_S）：折返電路開(kāi)始降低電流限制值的電壓為18V。
• 電流限制閾值電壓（VSC）：在VOUT > VFB_S時(shí)，RSENSE上的最大?V為125mV至160mV。
• 折返電壓（VFLBK）：在VOUT = 0V時(shí)，RSENSE上的最大?V為42mV至54mV。
• 快速放電閾值（VFC）：范圍為360mV至480mV。
• 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通閾值（VSWON）：當(dāng)開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通時(shí)，VCC - VOUT的最大值為1.2V至1.8V。
• 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通比較器遲滯（VSWON_H）：為160mV。

3. MOSFET驅(qū)動(dòng)器

• 柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓（VGS）：當(dāng)開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通時(shí)，VGATE - VCC的范圍在不同溫度下有所不同，確保MOSFET能夠充分導(dǎo)通。
• 柵極充電電流（IGATE）：當(dāng)VGATE = 0V時(shí)，電流為7μA至13μA。
• 柵極放電電流（IGATE,DIS）：在不同條件下，電流值有所不同，能夠快速放電，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的快速關(guān)斷。
• 源極 - 柵極鉗位電壓（VSGZ）：當(dāng)VOUT_ = 0V且向GATE_注入30mA電流時(shí)，電壓為14V至18V。

4. 開(kāi)路檢測(cè)器

• 開(kāi)路電流閾值電壓（VOC）：檢測(cè)開(kāi)路的RSENSE上的最小?V為1.5mV至4.5mV。
• 開(kāi)路檢測(cè)延遲（tOC）：范圍為450ms至1350ms。
• 消抖延遲（tLPFD）：當(dāng)（VCSP_ - VDRAIN__） < VOC時(shí)，延遲為106ms至302ms。

5. 繼電器驅(qū)動(dòng)器

• 最大低電壓（MAX5913A）：當(dāng)RLYON為高且IRLYD_ = 100mA時(shí)，VRLOW為0.5V。
• 繼電器上拉電流（MAX5914A）：當(dāng)RLYON為高且VRLYD_ = 0V時(shí)，IRPLUP為0.3mA至1.3mA。
• 鉗位二極管電壓（VRCLAMP）：當(dāng)向RLYD注入100mA電流時(shí)，VRLYD - VRLY為2V。
• 繼電器輸出泄漏電流：當(dāng)RLYON為低且VRLYD = VRLY時(shí)，電流為1μA。

6. 時(shí)序

• 短路和啟動(dòng)定時(shí)器（tO）：通過(guò)連接不同阻值的電阻到RTIM，可以設(shè)置不同的tO值，范圍從3.2ms至180ms。
• 自動(dòng)重試占空比（DC）：可以通過(guò)設(shè)置DC引腳的電平來(lái)調(diào)整自動(dòng)重試的占空比，分別為1%、2%或4%。
• 端口導(dǎo)通延遲（tON_DEL）：當(dāng)VON = 3.3V時(shí)，延遲為12.8ms至38.4ms。
• 繼電器關(guān)斷延遲（tOFF_DEL）：在RLYON_變低后，延遲為1.6ms至4.8ms。

7. 數(shù)字接口

• DC引腳輸入高電壓（VIH_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時(shí)，為0.7 x VDD。
• DC引腳輸入低電壓（VIL_DC）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時(shí)，為0.3 x VDD。
• DC引腳輸入阻抗（RIN_DC）：為1kΩ。
• 邏輯輸入高電壓（VIH）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時(shí)，為0.8 x VDD。
• 邏輯輸入低電壓（VIL）：在2.5V ≤ VDD ≤ 3.7V時(shí)，為0.3 x VDD。
• 邏輯輸入泄漏電流：為1μA。
• FAULT輸出低電壓（VFL）：當(dāng)ISINK = 4mA時(shí)，為0.4V。
• FAULT高輸入泄漏電流：為1μA。
• 邏輯輸出高電壓（VOH）：當(dāng)STAT_輸出源出0.5mA時(shí)，為VDD - 0.4mV。
• 邏輯輸出低電壓（VOL）：當(dāng)STAT_輸出吸入0.5mA時(shí)，為0.4V。

四、引腳描述

MAX5913A/MAX5914A共有44個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能，以下是一些重要引腳的介紹：

1. FAULT

有源低故障輸出，當(dāng)任何一個(gè)通道檢測(cè)到故障時(shí)，該引腳輸出低電平。

2. STAT1 - STAT4

狀態(tài)輸出，根據(jù)STATOUT引腳的狀態(tài)，可指示Power-OK或Port-OC狀態(tài)。

3. CSP1 - CSP4

電流檢測(cè)正輸入，連接到VCC，并在CSP_和DRAIN_之間放置電流檢測(cè)電阻。

4. DRAIN1 - DRAIN4

MOSFET漏極電流檢測(cè)負(fù)輸入，連接到功率MOSFET的漏極。

5. OUT1 - OUT4

MOSFET源極輸出電壓檢測(cè)，通過(guò)100Ω串聯(lián)電阻連接到功率MOSFET的源極。

6. GATE1 - GATE4

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)電壓以完全導(dǎo)通功率n溝道MOSFET。

7. VRLY

繼電器電源電壓輸入，參考DGND。

8. RLYD1 - RLYD4

繼電器驅(qū)動(dòng)輸出，MAX5913A的RLYD_在繼電器驅(qū)動(dòng)器啟用時(shí)吸入100mA，MAX5914A的RLYD_在繼電器驅(qū)動(dòng)器啟用時(shí)源出1mA。

9. DGND

數(shù)字地，所有邏輯電壓都參考DGND。

10. AGND

模擬地，所有模擬電壓都參考AGND。

11. VCC

模擬電源，連接到+35V至+72V的電源，當(dāng)VCC < VUVLO時(shí)，UVLO電路會(huì)關(guān)閉MOSFET開(kāi)關(guān)和繼電器。

12. OCEN

開(kāi)路檢測(cè)器使能輸入，高電平啟用開(kāi)路檢測(cè)器，低電平禁用。

13. STATOUT

狀態(tài)輸出多路復(fù)用器（MUX）控制輸入，控制STAT_輸出的信號(hào)。

14. RTRYEN

自動(dòng)重試使能輸入，高電平啟用自動(dòng)重試，低電平啟用開(kāi)關(guān)鎖存關(guān)閉模式。

15. DC

占空比編程輸入，設(shè)置過(guò)流條件鎖定開(kāi)關(guān)后的最小關(guān)斷時(shí)間。

16. RLYON1 - RLYON4

繼電器驅(qū)動(dòng)器控制輸入，高電平啟用RLYD，低電平關(guān)閉相應(yīng)通道的MOSFET開(kāi)關(guān)并禁用RLYD。

17. ON1 - ON4

MOSFET開(kāi)關(guān)控制輸入，高電平啟用GATE_以打開(kāi)MOSFET開(kāi)關(guān)，RLYON_必須為高才能啟用開(kāi)關(guān)。

18. RTIM

定時(shí)振蕩器頻率設(shè)置輸入，通過(guò)連接2kΩ至40kΩ的電阻到DGND來(lái)設(shè)置最大連續(xù)過(guò)流時(shí)間tO。

19. VDD

數(shù)字電源，通過(guò)1μF電容旁路到DGND。

五、工作原理

1. 開(kāi)關(guān)和繼電器控制

通過(guò)ON_輸入可以控制相應(yīng)的MOSFET開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)RLYON_為高且VCC > VUVLO超過(guò)25.6ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)ON_為高可以打開(kāi)開(kāi)關(guān)。驅(qū)動(dòng)RLYON_為高會(huì)立即打開(kāi)相應(yīng)的繼電器，并在25.6ms延遲后激活對(duì)應(yīng)的ON_輸入。驅(qū)動(dòng)RLYON_為低會(huì)立即關(guān)閉開(kāi)關(guān)，并在3.2ms延遲后關(guān)閉繼電器，確保繼電器在零電壓和零電流條件下動(dòng)作，提高系統(tǒng)的可靠性。

2. 輸入電壓和UVLO

MAX5913A/MAX5914A的工作電源電壓范圍為+35V至+72V，VCC為模擬電路供電，并在啟動(dòng)和正常運(yùn)行期間持續(xù)監(jiān)測(cè)。在VCC上升到VUVLO以上之前，所有MOSFET開(kāi)關(guān)和繼電器驅(qū)動(dòng)器都保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)VCC下降到VUVLO - VUVLO,H以下時(shí)，所有MOSFET開(kāi)關(guān)和繼電器驅(qū)動(dòng)器會(huì)關(guān)閉。

3. 啟動(dòng)過(guò)程

當(dāng)滿足導(dǎo)通條件時(shí)，MAX5913A/MAX5914A通過(guò)一個(gè)恒定電流源IGATE（典型值為10μA）對(duì)外部MOSFET開(kāi)關(guān)的柵極進(jìn)行充電，緩慢打開(kāi)開(kāi)關(guān)。輸出電壓的上升斜率由連接到該節(jié)點(diǎn)的總柵極電容CGATE決定。如果輸出連接有電容負(fù)載，通過(guò)FET的總電流為(I = I{GATE} frac{C{L}}{C{GATE}} + I{L})，其中(C{L})是負(fù)載電容，(I{L})是啟動(dòng)階段連接到輸出的任何負(fù)載所需的電流。當(dāng)通過(guò)FET的電流達(dá)到編程的電流限制值時(shí)，內(nèi)部電流限制電路會(huì)激活并調(diào)節(jié)FET電流為一個(gè)取決于VOUT的ILIM值。如果過(guò)流條件持續(xù)超過(guò)最大時(shí)間tO，開(kāi)關(guān)會(huì)被鎖定關(guān)閉，GATE_會(huì)通過(guò)1mA下拉電流放電到地。如果啟用了自動(dòng)重試功能，開(kāi)關(guān)會(huì)在等待一段時(shí)間tOFF后再次打開(kāi)，tOFF由編程的占空比決定。啟動(dòng)后，內(nèi)部電荷泵提供（VCC + 9V）的典型柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，以完全打開(kāi)開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)完全導(dǎo)通（開(kāi)關(guān)兩端的電壓降≤1.5V）且開(kāi)關(guān)不在電流限制狀態(tài)時(shí)，POK信號(hào)會(huì)被置位。

4. 電流檢測(cè)和調(diào)節(jié)

MAX5913A/MAX5914A使用兩個(gè)電壓比較器（雙電平檢測(cè)）來(lái)控制端口電流，通過(guò)檢測(cè)外部電流檢測(cè)電阻上的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)比較器將檢測(cè)到的電壓與VSC閾值（典型值為142.5mV）進(jìn)行比較，根據(jù)(R{SENSE} = V{SC} / I{MAX})選擇合適的檢測(cè)電阻，其中(I{MAX})是允許通過(guò)開(kāi)關(guān)的最大電流。當(dāng)達(dá)到(I_{MAX})時(shí)，折返式電流限制電路會(huì)根據(jù)VOUT調(diào)節(jié)電流限制。當(dāng)VOUT接近零時(shí)，檢測(cè)電阻上的最大電壓降會(huì)降低到最小值（典型值為48mV），這有助于減少外部功率FET在輸出過(guò)載和短路情況下的功耗。第二個(gè)比較器的檢測(cè)閾值為3VSC，當(dāng)出現(xiàn)瞬間電流峰值使外部FET過(guò)應(yīng)力時(shí)，會(huì)激活一個(gè)15mA的柵極下拉電流，幫助調(diào)節(jié)更快地起作用。檢測(cè)電阻還用于檢測(cè)開(kāi)路或低電流條件，典型閾值為3mV。

5. 開(kāi)路檢測(cè)

MAX5913A/MAX5914A能夠檢測(cè)端口是否存在低電流或開(kāi)路情況，并關(guān)閉相應(yīng)的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)打開(kāi)且滿足POK條件后，開(kāi)路檢測(cè)器會(huì)在900ms延遲后啟用。開(kāi)路電壓閾值設(shè)置為電流檢測(cè)電阻上的3mV。通過(guò)驅(qū)動(dòng)OCEN為高可以啟用所有四個(gè)端口的開(kāi)路檢測(cè)器，驅(qū)動(dòng)OCEN為低則禁用檢測(cè)器。當(dāng)STATOUT為低時(shí)，可以從STAT_輸出讀取每個(gè)端口的開(kāi)路標(biāo)志，STAT_輸出高表示該端口因開(kāi)路條件而被鎖定關(guān)閉。要重置鎖定狀態(tài)，需要將相應(yīng)的ON_輸入拉低再拉高。

6. 輸出電壓檢測(cè)和Power-OK

MAX5913A/MAX5914A在外部MOSFET開(kāi)關(guān)的源極檢測(cè)端口的輸出電壓，內(nèi)部電路將輸出電壓與VCC進(jìn)行比較，以確定FET是否完全導(dǎo)通。當(dāng)((V{CC} - V{OUT}) leq 1.5V)時(shí)，滿足POK條件。內(nèi)部電路還會(huì)監(jiān)測(cè)VOUT，以確定電路進(jìn)入電流限制狀態(tài)時(shí)的折返電流值。隨著輸出電壓的降低，電流限制值會(huì)減小，以限制FET的功耗。

7. 繼電器驅(qū)動(dòng)器

MAX5913A/MAX5914A包含片上繼電器驅(qū)動(dòng)器RLYD_，能夠吸入100mA電流。當(dāng)RLYON_為高時(shí)，立即啟用繼電器驅(qū)動(dòng)器，對(duì)應(yīng)的ON_開(kāi)關(guān)控制輸入會(huì)延遲25.6ms，以允許繼電器在零電壓條件下閉合。當(dāng)RLYON_為低時(shí)，立即關(guān)閉相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，并在3.2ms延遲后關(guān)閉繼電器驅(qū)動(dòng)器，確保繼電器觸點(diǎn)在零電流條件下打開(kāi)。MAX5913A的RLYD_極性與MAX5914A相反，MAX5913A的RLYON_輸入置位時(shí)，RLYD_向DGND吸入100mA電流；MAX5914A的RLYON_為高時(shí)，內(nèi)部1mA電流源將RLYD_上拉到VDD。在RLYD和VRLY之間內(nèi)部連接了一個(gè)100mA的鉗位二極管，以保護(hù)MAX5913A/MAX5914A免受繼電器線圈的感應(yīng)沖擊。VRLY必須連接到高端繼電器電源電壓。

8. 可編程時(shí)序，RTIM

通過(guò)連接一個(gè)2kΩ至40kΩ的外部電阻從RTIM到DGND，可以設(shè)置內(nèi)部振蕩器的頻率，tO和自動(dòng)重試時(shí)間基于該頻率。計(jì)算公式為(t{O} = (R{RTIM} / 2kΩ) × 6.4ms)。如果RTIM未連接，內(nèi)部電阻會(huì)將tO設(shè)置為標(biāo)稱值6.4ms。

9. 自動(dòng)重試和可編程占空比

MAX5913A/MAX5914A具有可調(diào)節(jié)占空比的自動(dòng)重試功能。驅(qū)動(dòng)RTRYEN為高可以啟用自動(dòng)重試功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)遇到過(guò)流時(shí)間超過(guò)tO時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)關(guān)閉，并保持關(guān)閉狀態(tài)tOFF，tOFF由DC這個(gè)三電平輸入編程。tOFF周期結(jié)束后，開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)再次打開(kāi)。當(dāng)端口遇到連續(xù)過(guò)載或短路情況時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)根據(jù)DC輸入狀態(tài)以1%、2%或4%的占空比反復(fù)打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)RTRYEN為低時(shí)，自動(dòng)重試功能禁用，開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)關(guān)閉并保持鎖定關(guān)閉狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的ON控制輸入為低可以重置鎖定狀態(tài)，將ON拉高可以打開(kāi)開(kāi)關(guān)。不過(guò)，MAX59