SLG59H1403C：雙輸入單輸出3A電源多路復(fù)用器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理始終是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是在需要多個電源輸入的系統(tǒng)中，如何高效、穩(wěn)定地選擇和切換電源成為了工程師面臨的重要挑戰(zhàn)。Renesas的SLG59H1403C雙輸入單輸出3A電源多路復(fù)用器正是為解決這一問題而設(shè)計的優(yōu)秀器件。本文將深入剖析SLG59H1403C的特點(diǎn)、性能、應(yīng)用場景以及相關(guān)設(shè)計要點(diǎn)，希望能為廣大電子工程師在電源設(shè)計方面提供有價值的參考。

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一、器件概述

SLG59H1403C專為OR'ing或手動電源多路復(fù)用（Power MUX）應(yīng)用而設(shè)計。該器件配備兩個3A額定負(fù)載開關(guān)，非常適合具有多個電源的各種系統(tǒng)。它能夠自動檢測、選擇可用輸入，并在它們之間無縫切換，同時也支持手動在兩個電源軌之間進(jìn)行切換，這為電源設(shè)計提供了極大的靈活性。

二、特性亮點(diǎn)

1. 負(fù)載開關(guān)與電荷泵

具有兩個3A負(fù)載開關(guān)且共享一個輸出，同時集成了兩個VGS電荷泵，為電源切換提供了強(qiáng)大的驅(qū)動能力和穩(wěn)定性。

2. 寬工作范圍

其工作電壓范圍為2.8V至22V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，這使得它在不同類型的電子設(shè)備中都能得到廣泛應(yīng)用。

3. 可調(diào)節(jié)性

• 輸出軟啟動時間（SS）：可以通過外部電容$C_{SS}$進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效減少電源啟動時的浪涌電流，保護(hù)電路和負(fù)載。
• 優(yōu)先級設(shè)置：可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整通道優(yōu)先級，滿足不同的應(yīng)用場景。
• 過壓保護(hù)（OVP）：過壓保護(hù)的精度控制在 < ±5%，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，確保在過壓情況下對設(shè)備進(jìn)行可靠保護(hù)。

4. 低導(dǎo)通電阻

典型的$R_{DS(ON)}$值為52mΩ，能夠降低功率損耗，提高電源效率，減少發(fā)熱。

5. 狀態(tài)指示與保護(hù)功能

• 通道狀態(tài)指示（ST）：通過ST引腳可以直觀地了解哪個輸入正在為輸出供電，方便進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和故障排查。
• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定的閾值時，自動鎖定輸出，防止在低電壓下不正常工作，保護(hù)設(shè)備安全。
• 真正的反向電流阻斷：能夠有效防止反向電流的流動，避免對電源和負(fù)載造成損害。
• 熱關(guān)斷和可調(diào)電流限制：在過熱或過流情況下，自動采取保護(hù)措施，確保器件的可靠性和穩(wěn)定性。

6. 封裝與環(huán)保特性

采用1.585mm x 1.985mm、0.4mm間距的20L WLCSP封裝，具有小尺寸、低功耗的特點(diǎn)。同時，它符合無鉛、無鹵素和RoHS標(biāo)準(zhǔn)，滿足環(huán)保要求。

三、電氣特性

1. 電壓與電流參數(shù)

在$T{A}=-40^{circ}C$至85°C的溫度范圍內(nèi)，其電源開關(guān)輸入電壓范圍為2.8V至22V，欠壓鎖定閾值精確可控。例如，$V{IN1,2}$的典型值為2.65V。在不同的工作狀態(tài)下，其靜態(tài)電流和待機(jī)電流都非常小，如$I{Q_IN[1,2]}$典型值為300μA，$I{STBY_IN[1,2]}$在25°C時典型值為15μA，這有助于降低系統(tǒng)功耗。

2. 導(dǎo)通電阻與電流

$R{DS(ON)}$在不同條件下有所變化，如在$T{A}=25°C$、$I{DS}=200mA$、$V{PR}>V{REF}$、$V{IN[1,2]}≥2.0V$時，典型值為52mΩ。連續(xù)電流從IN[1,2]到OUT的最大值為3A，能夠滿足大多數(shù)負(fù)載的功率需求。

3. 時間參數(shù)

• 導(dǎo)通延遲時間（$T_{ON}$ Delay）：從$V{IN1,2}$到$V{OUT}$斜坡開始的時間典型值為8ms，確保了在電壓穩(wěn)定后再進(jìn)行輸出切換，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 總導(dǎo)通時間（$T_{Total_ON}$）：從$V{IN1,2}$到90% $V{OUT}$的時間可以通過外部電容$C{SS}$進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如在$C{SS}=220nF$、$V{IN[1,2]}=5V$、$C{LOAD}=2μF$、$R_{LOAD}=100Ω$時，典型值為23ms。

四、工作模式

1. 正常工作狀態(tài)

• VCOMP模式：當(dāng)$PR < V{REF}$且$SEL < V{REF}$時，輸出由輸入電壓較高的通道提供。如果$IN1 > IN2$，則輸出為$IN1$；如果$IN1 ≤ IN2$，則輸出為$IN2$。
• 優(yōu)先級模式：當(dāng)$PR > V{REF}$且$SEL < V{REF}$時，優(yōu)先選擇通道1為輸出供電。
• 手動通道選擇模式：當(dāng)$SEL > V_{REF}$時，無論$PR$的狀態(tài)如何，都選擇通道2為輸出供電。

2. 故障工作狀態(tài)

當(dāng)某個通道出現(xiàn)故障（如欠壓或過壓）時，系統(tǒng)會自動切換到另一個正常的通道。如果兩個通道都出現(xiàn)故障，輸出將處于高阻（Hi-Z）狀態(tài)，以保護(hù)設(shè)備安全。

五、應(yīng)用場景與設(shè)計要點(diǎn)

1. 電源啟動考慮

在電源啟動過程中，當(dāng)輸入電壓$V{IN 1}$或$V{IN 2}$滿足有效條件（大于欠壓鎖定閾值且小于過壓鎖定閾值）時，會有一個導(dǎo)通延遲時間$T{ON_Delay}$，然后輸出電壓以由$C{SS}$電容設(shè)定的斜率$V{OUT(SR)}$開始上升。在總導(dǎo)通時間$T{Total_ON}$之后，如果輸入電壓一直保持有效，將不再使用軟啟動功能，直到輸入電壓變得無效。

2. 軟啟動設(shè)計

通過改變$C{SS}$電容的大小，可以配置輸出電壓的斜率。不同的$C{SS}$電容值、$V{IN[1,2]}$電壓和溫度會對輸出斜率和總導(dǎo)通時間產(chǎn)生影響。在實(shí)際設(shè)計中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的$C{SS}$電容值，以實(shí)現(xiàn)理想的軟啟動效果。

3. 過壓保護(hù)與工作模式選擇

使用典型的電阻分壓器來設(shè)置OV1和OV2的過壓閾值以及$V{PR}$和$V{SEL}$的電平。計算公式為$R_1=frac{R2 timesleft(V{IN[1,2]}-V{REF}right)}{V{REF }}$，其中$R_1$為計算得到的電阻值（kΩ），$R2$為靠近接地的電阻，推薦值為5kΩ，$V{IN[1,2]}$為需要觸發(fā)保護(hù)的電壓電平，$V_{REF}$為OV1、OV2、PR和SEL引腳的內(nèi)部電壓參考。

4. 不同應(yīng)用場景連接方式

• OR'ing應(yīng)用：將PR和SEL引腳連接到GND或使$V{PR}$和$V{SEL}$ < $V_{REF}$，可以實(shí)現(xiàn)兩個電源的OR'ing功能。當(dāng)兩個電源軌都有效時，較高的電壓將傳輸?shù)捷敵?；如果一個電源軌突然消失，輸出將自動切換到另一個可用的電源軌。
• 手動電源軌選擇應(yīng)用：在PR引腳通過上拉電阻施加一個 ≥ $V{REF}$的外部電壓。當(dāng)$V{PR} ≥ V{REF}$且$V{SEL} < V{REF}$時，選擇通道1；當(dāng)$V{SEL} ≥ V_{REF}$時，選擇通道2。
• 帶有優(yōu)先級的手動電源軌選擇應(yīng)用：將PR引腳通過額外的分壓器（R5, R6）連接到IN1。當(dāng)$V{IN 1}$下降導(dǎo)致$V{PR} < V{REF}$且$V{SEL} < V{REF}$時，器件將工作在VCOMP模式；當(dāng)$V{SEL} ≥ V_{REF}$時，選擇通道2。

5. 電流限制功能

SLG59H1403C具有兩種電流限制模式：

• 標(biāo)準(zhǔn)電流限制模式（帶熱保護(hù)）：輸出電流最初限制在電氣特性表中規(guī)定的有源電流限制值。當(dāng)檢測到過載時，電流限制電路會快速響應(yīng)，增加FET的電阻以保持電流不超過限制值。通過選擇合適的±1%-tolerance $R{ILIM}$值，可以調(diào)整ACL水平，計算公式為$I{ACL}=69.1 / R{ILIM}^{0.861}$（$R{ILIM}$范圍為31.6 kΩ至100 kΩ）。如果過載情況持續(xù)，芯片溫度升高可能會觸發(fā)熱保護(hù)，使FET完全關(guān)閉，直到溫度下降到$THERM OFF$溫度后再重新開啟。
• 短路電流限制模式（帶熱保護(hù)）：在硬短路（$R_{SHORT } ≥ 0.5 Ω$）情況下，如電源軌上出現(xiàn)焊橋，電流將被限制以保護(hù)芯片。同時，熱保護(hù)功能也可能會在短路電流限制保護(hù)操作期間被激活。

6. 快速反向電流阻斷（RCB）

每個通道都具有始終開啟的反向電流阻斷功能。當(dāng)輸出電壓被強(qiáng)制高于所選輸入電壓$V{IRCB}$時，通道將關(guān)閉以阻止反向電流$I{RCB}$，響應(yīng)時間為$t{RCB}$。當(dāng)輸出電壓下降到$V{IN}$的$V_{RCB}$范圍內(nèi)時，所選通道將迅速重新開啟，以避免在快速切換過程中出現(xiàn)不必要的電壓降。

7. 功耗計算與布局指南

• 功耗計算：SLG59H1403C的功耗和結(jié)溫可以通過以下公式計算：$PD{TOTAL }=left(RDS{ON[1,2]} × I{DS[1,2]}^{2}right)$ 或$PD{TOTAL }=left(V{IN[1,2]}-V{OUT }right) × I{DS[1,2]}$，$T{J}=P D{TOTAL } × theta{JA}+T{A}$。其中，$PD{TOTAL}$為總封裝功耗，$RDS{ON[1,2]}$為通道1和通道2的負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通電阻，$I{DS[1,2]}$為通道1和通道2的輸出電流，$T{J}$為芯片結(jié)溫，$theta{JA}$為封裝熱阻，$T_{A}$為環(huán)境溫度。
• 布局指南：在PCB布局時，應(yīng)盡量使IN[1,2]和OUT引腳的功率走線短、直、寬，每安培電流的功率走線絕對最小寬度為15mils（0.381mm）。同時，將輸入$C{IN[1,2]}$和輸出$C{LOAD}$低ESR電容盡可能靠近SLG59H1403C的IN[1,2]和OUT引腳，以減小寄生走線電感對正常工作的影響。GND引腳應(yīng)連接到系統(tǒng)模擬或電源接地平面。

六、評估板與使用說明

Renesas為SLG59H1403C設(shè)計了一款高壓綠色FET評估板，評估板上有IN[1,2]_Sense和OUTSense焊盤，僅用于$R{DS(ON)[1,2]}$評估，不能承載高電流。基本的EVB配置步驟如下：

1. 將示波器探頭連接到IN[1,2]、OUT、ST等引腳。
2. 通過連接X1 - X3和X4 - X6上的跳線來分別配置通道1和通道2的過壓保護(hù)閾值。OV[1,2]設(shè)置的跳線用于設(shè)置典型工作輸入電壓，過壓保護(hù)閾值將比該設(shè)置高20%。
3. 連接X7 - X9上的跳線來配置PR電平。PR設(shè)置的跳線用于設(shè)置優(yōu)先級模式下的典型工作輸入電壓。當(dāng)輸入電壓下降到典型工作電壓水平的約4% - 5%以下時，$V{PR}$將低于$V{REF}$，器件將工作在VCOMP模式。
4. 分別使用X20和X21配置軟啟動（SS）和電流限制（ILIM）。詳細(xì)信息可參考數(shù)據(jù)手冊中的軟啟動介紹和電流限制部分。
5. 使用X15、X22選擇所需的操作模式，并通過X16連接上拉電阻到ST引腳。不同操作模式的詳細(xì)信息可參考數(shù)據(jù)手冊中的正常操作狀態(tài)表。
6. SEL引腳的邏輯高電平配置連接到PR引腳信號。這意味著要使SEL引腳處于高電平狀態(tài)，需要先使PR信號為邏輯高電平。這種配置允許在手動通道選擇模式下切換通道1和通道2，而不受$V_{IN[1,2]}$電壓水平的影響。

七、總結(jié)

SLG59H1403C作為一款高性能的雙輸入單輸出3A電源多路復(fù)用器，憑借其豐富的功能特性、優(yōu)異的電氣性能和靈活的應(yīng)用方式，在多個電子領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。無論是在電源切換、過壓保護(hù)還是電流限制等方面，都能為工程師提供可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和配置器件的參數(shù)，同時注意PCB布局和評估板的使用，以充分發(fā)揮SLG59H1403C的優(yōu)勢，設(shè)計出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。你在使用SLG59H1403C的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。