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UL Recognized, IEEE 1394 Single- and Dual-Port FireWire Protective Circuits

参考设计免责声明 参照  重要声明和免责声明  涵盖参考设计和其他Maxim资源

描述

引言

经过大量测试后,MAX5943A单端口和MAX5944双端口FireWire限流器以及低压降“或”逻辑开关控制器已在Underwriters Laboratories, Inc.®的元件认证流程下通过UL认证,也就是说,该电路(不是电路中的元件)已通过UL认证。为了帮助设计者实现该UL认证电路,本文不仅提供了每个电路的原理图,也提供了每个电路的材料清单(BOM),并详细说明了UL认证对元件的要求。对基本电路或电路中载流元件(检流电阻或MOSFET开关)的任何改动,都需要额外的UL检测才能通过UL认证。不过,如果只是增大检流电阻值以降低限流,则不需要进行其它安全检测。

为了达到UL的安全规范要求这些电路均需要串联一个保险丝,以便当三个MOSFET或BJT端之间的任意一个元件失效时(开路或短路)仍可保证安全工作。这些电路使用两个串联MOSFET,两个MOSFET中的任何一个均可承受漏源短路电流,不会危及整个电路的安全性,以满足UL的安全要求。在MOSFET栅极和控制器之间放置了一个由4只电阻、2只PN晶体管构成的隔离网络,来自控制器的栅极控制信号(双端口电路的每个通道)通过隔离网络驱动两个MOSFET,UL测试采用12V电源。

电路说明

图1给出了使用MAX5943A实现的单端口FireWire保护电路。输入端VIN施加7.5V至37V电源,负载接在6引脚IEEE 1349连接器输出端的引脚1和2之间。负载电流流过检流电阻R2,在MAX5943A控制器的引脚16和15之间产生电流检测电压。当该电压达到门限值50mV ±5%时,MAX5943A控制输出电流使检流电压保持不变。如果该过程的持续时间超过2ms,控制器将自动断开负载,电流值可能是低于50mV门限的任意值。

稳定状态下,GATE2的驱动电平比VIN高出大约5.5V,以增强MOSFET N2的导通能力。当输出电流达到限流值时,GATE2的电压降低使电流保持在设定值,直到限流持续时间超时或输出电流跌落到设定值以下。断开负载后,GATE2电压迅速降为零,发出故障报警信号,控制器等待256ms后尝试重新启动。如果还处在过载状态,超时检测和自动重试将交替进行,限流占空比控制在0.8%以下。由此,电路可在连续短路条件下安全工作。
该电路提供:

  • 次连接或过流故障下的2.5A (可调)负载限流
  • 出现过大负载电流断开负载之前具有2ms (可调)限流超时
  • 故障关断条件下尝试自动重试
  • 连续故障条件下,限流占空比< 0.8%
  • 6.5V欠压关断保护
  • 多电源应用中提供“或”逻辑低压差特性
  • 故障报警

 图1. 通过UL认证的Maxim单端口FireWire保护电路
图1. 通过UL认证的Maxim单端口FireWire保护电路

MOSFET N1是“或”逻辑器件,允许输出由多个供电电路。当外设电源超过系统电源电压,“或”逻辑电路可防止外围供电设备向系统倒灌电流。当负载电流很低时,N1关断,电流单向流过其体二极管。当检流电阻R2两端的电压达到5mV (负载电流 = 0.25A)时,N1导通以实现低压差“或”逻辑功能。如果另一个电路提供的电压大于VIN - VF (N1BODY DIODE),则没有电流流过VIN

在有保险丝的电路中,不需要Q1、R3、R4、R5和R6和开关N2,只需一个MOSFET。本电路中没有保险丝,串联MOSFET N2A和N2B,确保在两者中的任一个失效时安全断开负载¹。Q1和4个电阻隔离两个MOSFET的栅极,尽管它们都由U1的GATE2输出驱动。当GATE2为高电平导通MOSFET时,R5和R6提供栅极隔离;当GATE2为低电平时,R3、R4和Q1提供栅极隔离;它们还允许MOSFET栅极电容快速放电,迅速关断。

U1的3、4、5、6和8端的连接为可选项,用于改进不同条件下的工作。连接TIM可在220µs到175ms之间调整限流超时时间;连接ILIM将断路器门限调节至40、50或60mV;连接LATCH可以设置闭锁或重试故障管理;连接OR_ADJ可将“或”逻辑开关导通门限设置在5、7.5或10mV。连接ONQ1可以禁止“或”逻辑功能。关于连接细节可参考MAX5943A数据资料。VPULLUP必须接至VIN或其他的电源以便读取FAULT信号(低电平有效)。
其他电路细节:

  • 对于始终保持工作状态的电路,可能并不需要电容C1,但在测试电路中必须使用C1,这样可以抑制由于负载快速断开引起的输入电压振铃(在电路板测试中可能使用基于电感的电源)。对某些电源,或电源线较长,应该在测试板的外侧并联较大的输入电容。
  • 在输出端并联电容C4用于保护U1,U1控制器断开N2时,该电容可以抑制负载断开时的输出电压振铃。
  • 电阻R7用于N2关断时C3和C4的放电通路。
  • 电感L1和电容C4用来抑制串入保护电路的高频噪声;100MHz时,测得L2阻抗为250Ω。
  • R2-C2在VIN与U1 ON端之间构成RC滤波器。该端驱动为低电平时关断控制器。可在C2两端连接电阻,使低压锁定(UVLO)值高于默认值(约6.5V)。引脚1的ON门限为1.24V。

图2给出了双端口FireWire保护电路,除了没有“或”逻辑MOSFET驱动外,其工作原理与图1电路类似。可在N1、N2之前加“或”逻辑MOSFET,只需将GATE1A和GATE1B分别接到相应的“或”逻辑MOSFET的栅极,然后将引脚4 (ONQ1)接地,而不是接VIN。当每个通道出现单个元件失效时,能够提供与单端口电路一样的保护功能。
图2. 通过UL认证的Maxim双端口FireWire保护电路
图2. 通过UL认证的Maxim双端口FireWire保护电路
MAX5943A和MAX5944的工作电压范围是7.5V到37V,满足FireWire规范。UVLO电压约为6.5V,VIN < 6.5V并且VON < 1.24V时,外置MOSFET保持关断。为抑制VIN上的瞬态信号,VON通过R1/C2 RC延时网络连接至VIN。若希望UVLO > 6.5V,可在C2两端并联电阻,设定希望的导通电压,VON门限1.24V。

UL认证

UL认证可以拓展到MAX5943A和MAX5944以下电路,特定的N1、N2参数和模式,0.02Ω 0.25W检流电阻。用于MOSFET散热的等效敷铜区域以及2ms的默认限流超时时间(将TIM接至VIN)。当限流检测电压为50mV、检流电阻为0.02Ω,限流值设置在2.5A。较低的限流值仍符合UL认证标准,但较高的电流值未经过认证。按照UL惯例,允许使用同样的检流电阻和MOSFET,但不能保证对电路或元件修改后仍可通过UL认证。UL测试使用12V电源。

将TIM连接至VIN,限流超时时间为缺省值(2ms),该条件下已通过UL认证。启动期间,如果C3电容较大,充电电流会达到限流值。使用大电容可能导致充电时间超过2ms的限流超时,从而引起MAX5943A/MAX5944关断。使用较大电容C3时,可增加限流超时(超过2ms的缺省值)。对该系统的UL认证主要考虑的是MOSFET的安全功耗限制,较长的限流超时意味着较高的MOSFET峰值结温(短路时)。这样,如果限流超时设定值大于缺省值2ms,将难以通过UL认证。

双端口系统被UL指定为"低压固态过流保护器,型号MAX5944—用于FireWire保护电路中,版本1"。
单端口系统被UL指定为"低压固态过流保护器,型号MAX5943A—用于FireWire保护电路中,版本2"。

PCB布局

单端口FireWire保护电路的PCB布局详见图345;双端口FireWire保护电路的PCB布局详见图678。注意,在两个电路中,敷铜散热区域与检流电阻和每个MOSFET有关。虽然重新设计的电路应提供足够的MOSFET散热敷铜区,以保证在最大负载或短路情况下将MOSFET结温峰值限制在安全范围内,布局细节不属于UL认证内容。关于热计算请查阅每个MOSFET的瞬态热特性。

结论

本应用笔记介绍了通过UL认证,用于单端口系统(MAX5943A)和双端口系统(MAX5944)的FireWire保护电路。为了帮助设计人员实现这些电路,本文详细说明了电路原理和操作方法,元件参数以及PCB布局,同时也讨论了UL认证对系统的限制。需要注意的是,电路本身通过UL认证,而不是电路中的每个元件。因此,对基本电路或载流元件的任何改动,都要求电路进行额外的UL测试才能通过UL认证。
图3. 单端口电路PCB顶层
图3. 单端口电路PCB顶层
图4. 单端口电路PCB顶层敷铜
图4. 单端口电路PCB顶层敷铜
图5. 单端口电路PCB底层敷铜
图5. 单端口电路PCB底层敷铜
图6. 双端口电路PCB顶层
图6. 双端口电路PCB顶层
图7. 双端口电路PCB顶层敷铜
图7. 双端口电路PCB顶层敷铜
图8. 双端口电路PCB底层敷铜
图8. 双端口电路PCB底层敷铜

材料清单
通过UL认证的MAX5943A FireWire保护电路,版本1

Designation Quantity Description Manufacturer and Part No.
C1, C3 2 Ceramic capacitor 1µF 20% 50V X7R 1206 TDK C3216X7R1H105K
C2 1 Ceramic capacitor 10nF 10% 50V X7R 0603 TDK C1608X7R1H103K
C4 1 Ceramic capacitor 100nF 10% 50V X7R 0603 TDK C1608X7R1H104K
J1 J2 2 Connector female banana uninsulated  
J3 1 Connector female IEEE 1394 PC-mount right-angle Assmann Electronic Components A-IE-S-DIP-R, Astron Technology Corp. 21-0103-6-1T, Cypress Industries 85-32007-101
L1 1 Inductor SMT 250Ω at 1MHz, 2.8A, 50mΩ 0805 Ceratech HH-1T2012-251, World Products WPBH-T2012-251T
N1 1 MOSFET N-channel 58mΩ, 3.9A, 40V SOT23 Vishay Si2318DS
N2 1 MOSFET N-channel dual 47mΩ, 6A, 40V 1212-8 Pwr Pkg Vishay Si7222DN
Q1 1 Transistor bipolar pnp dual SOT23-6 DMMT3906W
R1 1 Resistor SMT 200kΩ 0402  
R2 1 Resistor SMT 0.02Ω 1% 0.25W 0805 Cyntec RL1220T-R020-FN
R3, R4 2 Resistor SMT 1kΩ 0402  
R5, R6, R7, R8 4 Resistor SMT 100kΩ 0402  
U1 1 IC controller hot-swap ORing QSOP-16 Maxim MAX5943AEEE


材料清单
通过UL认证的MAX5944 FireWire保护电路,版本1

Designation Quantity Description Manufacturer and Part No.
C1, C3, C5 3 Ceramic capacitor 1µF 20% 50V X7R 1206 TDK C3216X7R1H105K
C2 1 Ceramic capacitor 10nF 10% 50V X7R 0603 TDK C1608X7R1H103K
C4, C6 2 Ceramic capacitor 100nF 10% 50V X7R 0603 TDK C1608X7R1H104K
J1, J2 2 Connector female banana uninsulated  
J3, J4 2 Connector female IEEE 1394 PC-mount right-angle Assmann Electronic Components A-IE-S-DIP-R, Astron Technology Corp 21-0103-6-1T, Cypress Industries 85-32007-101
L1, L2 2 Inductor SMT 250Ω at 1MHz, 2.8A, 50mΩ 0805 Ceratech HH-1T2012-251, World Products WPBH-T2012-251T
N1, N2 2 MOSFET N-channel dual 47mΩ, 6A, 40V 1212-8 Pwr Pkg Vishay Si7222DN
Q1, Q2 2 Transistor bipolar pnp dual SOT23-6 DMMT3906W
R1 1 Resistor SMT 200kΩ 0402  
R2, R3 2 Resistor SMT 0.02Ω 1% 0.25W 0805 Cyntec RL1220T-R020-FN
R4, R5, R12, R13 5 Resistor SMT 1kΩ 0402  
R6, R7, R8, R9, R10, R11, R14, R15 8 Resistor SMT 100kΩ 0402  
U1 1 IC controller hot-swap ORing dual SO-16 Maxim MAX5944ESE

 

附录

N2A、N2B、Q1A、Q1B中单个元件失效分析(见图1)
用图1给出的电路可估算单个元件失效的影响,最后判断是否可以去掉防止输出短路的保险丝。
Q1A、Q1B、N2A或N2B中有一个出现故障时,即使在输出短路的情况下,该电路也不会出现严重过流。此处所说的故障指的是N2A、N2B、Q1A或Q1B的三端中任意两端短路。
附录参考波形及测量条件如下:CH1 = VOUT、CH2 = N2BGATE、CH3 = N2AGATE、CH4 = IOUT (5A/div)。输出端短路时,N2A、N2B、Q1A或Q1B不短路。

以下波形均包括上述4个示波器测试波形(见标签)。输出短路测试持续1ms,输入电压12V。除检测短路外,还检测了100Ω,对应于120mA的负载。
最初,快速比较器检测到过流并关断两个栅极。

大约0.5ms之后,两个栅极电压均上升并稳定在VGS。此时支持的限流值为2.5A (编程设定)。
在1ms时去掉短路,所有的波形都回到正常状态。
如果短路状态超过1ms,在2ms限流超时后器件关断,之后等待256ms后重启。该过程一直持续到短路故障消除。

图9A. 输出短路,N2A、N2B、Q1A或Q1B没有短路时的参考波形,CH1 = VOUT、CH2 = N2BGATE、CH3 = N2AGATE、CH4 = IOUT (5A/div)

  1. Q1A或Q1B基极-发射极短路相当于用一个1kΩ电阻将100kΩ栅极串联电阻旁路,不会引起故障。

    图9B. Q1A或Q1B基极-发射极短路后的波形,与正常工作情况的参考波形相似
  2. Q1A或Q1B集电极-发射极短路相当于在栅极和输出之间连接了1kΩ电阻。输入、输出之间无负载电流流过;此时电路不工作,但处于安全状态。虽然没有负载时输出最终会上升(约0.5µs后),但连接一个合理的负载电阻后输出将不会上升。也就是说,即使空载时输出上升,一旦连接负载后输出会降低。相应的栅极驱动电压约为0V时,由于大约40µA的上拉电流流过GATE2与GND之间的100kΩ + 1kΩ串联电阻,会使GATE2端和另一栅极高于GND大约4V。

    图9C. Q1A或Q1B集电极-发射极短路时的波形,与分析结果吻合
  3. Q1A或Q1B基极-集电极短路相当于GATE2和输出之间短路,所有FET均不导通。如果之前电路是导通的,此时电路将会安全关断。

    图9D. Q1A或Q1B基极-集电极短路时的波形,与分析结果吻合。
  4. N2A或N2B栅极-源极短路会关断相应的MOSFET,使电路安全关断。这和上述2项描述的Q1A或Q1B集电极-发射极短路情况类似,只是另一个MOSFET导通(因为其栅极电压比输入电压高大约4V)。

    图9E. N2A或N2B栅极-源极短路时的波形,另一个栅极电压为≈4V,与分析结果吻合。
  5. N2A或N2B漏极-源极短路不会造成故障。

    图9F. N2A或N2B漏极-源极短路时的波形,与参考波形一样。
  6. N2A或N2B栅极-漏极短路将使短路器件工作在VGS ≈ VGS(TH)状态,造成器件过热,这种输出短路状态最终将导致漏极、源极和栅极之间均短路。

    图9G. N2A或N2B栅极-漏极短路时的波形,测试波形时没有接负载电阻。

当N2和GD短接时,N2栅极电压等于输入电压,使N2的源极电压为VGS(TH) (低于栅极电压)。N2漏源电阻约为10Ω。
N2持续处于栅极-漏极短路状态将造成N2各引脚间短路,电路工作过程如下(VIN = 12V)

  • 情况1:GATE2 = 高电平,栅极上拉电流为45µA (典型值)。高电平试图达到VIN + 5.5V,但全部45µA电流将消耗在栅极电阻(100kΩ)上,这样实际VGS(ON)降低到45µA x 100kΩ = 4.5V。
  • 情况2:由于输出短路GATE2被快速拉低,拉电流≥ 125mA (可能高达1A)。条件是:
    • VOUT ≈ 0V
    • GATE2 (引脚12)将Q1A和Q1B的基极电流(125mA)导引至GND
    • Q1A和Q1B基极电压 ≈ 0V
    • Q1A发射极电压 ≈ 0.6V,1kΩ电阻(连接N2A栅极和Q1A发射极)流过11.4mA电流
    • Q1B发射极电压 ≤ 0.6V,Q1B将N2B栅极快速拉低至VOUT ≈ 0V
    • N2B快速关断

附加信息:
VIN = 14V, CH1 = VOUT, Ch2 = VGN2B, CH3 = VGN2A, CH4 = IOUT (如未加说明5A/div)
图10.
图10.
¹ UL定义N2A或N2B单个元件失效为两者中有一个开路或源-漏极、源-栅极或漏-栅极之间短路;UL定义Q1A或Q1B的单个元件故障为两者有一个开路或集电极-发射极、集电极-基极或基极-发射极之间短路。单个元件故障的详细结果请见附录

  • 3984fig02

    3984fig02

  • 3984fig01

    3984fig01

Icon

设计, 制作, 测试

图中的电路板已经完成封装和测试。不可售。

 

Maxim设备 (2)

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