TPS2420：5A、20V集成FET熱插拔控制器的深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，負(fù)載保護(hù)和電流控制至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS2420熱插拔控制器，為高達(dá)20V的應(yīng)用提供了高度集成的負(fù)載保護(hù)解決方案。下面，我們將深入了解這款控制器的特性、應(yīng)用、電氣參數(shù)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TPS2420特性亮點(diǎn)

1. 集成MOSFET

TPS2420集成了30mΩ的導(dǎo)通電阻（R_ON）的功率MOSFET，這使得它在處理大電流時(shí)能夠有效降低功耗，提高效率。例如，在一些對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用中，低導(dǎo)通電阻可以減少發(fā)熱，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2. 寬電壓范圍

支持高達(dá)20V的總線操作，最大欠壓開啟閾值為2.9V，適用于低至3.3V的標(biāo)準(zhǔn)總線電壓。這使得它在不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)中都能靈活應(yīng)用，如在電信設(shè)備、RAID陣列等不同電壓環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

3. 可編程功能

• 可編程故障電流：通過(guò)連接到IFLT引腳的電阻，可以設(shè)置故障電流閾值（I_FAULT）。不同的電阻值對(duì)應(yīng)不同的故障電流，如R_FLT = 200kΩ時(shí)，I_FAULT為0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ時(shí)，I_FAULT為1.8 - 2.2A等。
• 可編程硬電流限制：通過(guò)連接到IMAX引腳的電阻，可以設(shè)置電流限制閾值（I_MAX）。例如，R_IMAX = 100kΩ時(shí)，I_MAX為1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ時(shí)，I_MAX為2.6 - 3.4A等。
• 可編程故障定時(shí)器：通過(guò)連接到CT引腳的電容（C_CT）來(lái)設(shè)置故障時(shí)間。公式為(C{CT}=frac{T{FAULT}}{38.9 × 10^{3}})，其中T_FAULT為最小定時(shí)器周期（秒），C_CT為電容值（法拉）。

  4. 其他特性

• 內(nèi)部MOSFET功率限制折返：確保MOSFET在所有工作狀態(tài)下都保持在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)，提高了設(shè)備的可靠性。
• 模擬電流監(jiān)測(cè)輸出（IMON）：可以通過(guò)設(shè)置R_IMON電阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的縮放監(jiān)測(cè)。公式為(R{IMON }=frac{63 k Omega × V{AD _ IN (max )}}{LOAD(max )})，方便系統(tǒng)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
• 電源良好輸出（PG）和故障輸出指示（FLT）：用于系統(tǒng)管理和順序控制，當(dāng)輸出電壓在輸入電壓的300mV范圍內(nèi)時(shí)，PG輸出低電平；當(dāng)故障時(shí)間到期或發(fā)生熱關(guān)斷時(shí)，F(xiàn)LT輸出低電平。
• 小封裝：采用4mm × 4mm QFN封裝，節(jié)省了電路板空間，適合在小型化設(shè)備中使用。
• 寬溫度范圍：結(jié)溫范圍為 -40°C至125°C，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
• UL2367認(rèn)證：文件編號(hào)E169910，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS2420廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：

• RAID陣列：在RAID系統(tǒng)中，熱插拔功能可以方便地更換硬盤，TPS2420可以保護(hù)硬盤和電源系統(tǒng)，防止因插拔過(guò)程中的電流沖擊而損壞設(shè)備。
• 電信設(shè)備：在電信設(shè)備中，對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，TPS2420可以有效保護(hù)負(fù)載，減少故障發(fā)生的概率。
• 插件電路板：在插件式電路板中，熱插拔功能可以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，TPS2420可以確保插拔過(guò)程中的安全性。
• 磁盤驅(qū)動(dòng)器和固態(tài)硬盤（SSD）：在磁盤驅(qū)動(dòng)器和SSD的啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中，TPS2420可以控制電流，保護(hù)設(shè)備免受過(guò)大電流的損害。
• PCIe：在PCIe接口中，TPS2420可以提供負(fù)載保護(hù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
• 風(fēng)扇控制：在風(fēng)扇控制電路中，TPS2420可以控制風(fēng)扇的啟動(dòng)和運(yùn)行電流，保護(hù)風(fēng)扇和電源系統(tǒng)。

三、電氣參數(shù)解析

1. 絕對(duì)最大額定值

需要注意的是，超過(guò)絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保工作條件在推薦的范圍內(nèi)。

2. 推薦工作條件

3. 電氣特性

• 輸入電源（V_IN）：欠壓鎖定（V_UVLO）在V_IN上升時(shí)，典型值為2.85V，范圍為2.6 - 2.9V。偏置電流在不同條件下有所不同，如V_EN = 2.4V時(shí)為25 - 100μA，V_EN = 0V時(shí)為3.9 - 5mA。
• 輸入/輸出：導(dǎo)通電阻（R_ON）在特定條件下，典型值為33mΩ，最大值為50mΩ。功率限制（P_LIMIT）在V_IN = 12V，C_OUT = 1000μF，EN從3V變?yōu)?V時(shí)，最大值為7.5W。反向二極管電壓在V_OUT > V_IN，EN = 5V，I_IN = -1A時(shí)，典型值為0.77V，最大值為1V。
• 故障電流（FLT）：故障電流閾值（I_FLT）根據(jù)不同的R_FLT電阻值有不同的設(shè)置，如R_FLT = 200kΩ時(shí)，I_FLT為0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ時(shí)，I_FLT為1.8 - 2.2A等。
• 電流限制（IMAX）：電流限制閾值（I_IMAX）根據(jù)不同的R_IMAX電阻值有不同的設(shè)置，如R_IMAX = 100kΩ時(shí)，I_IMAX為1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ時(shí)，I_IMAX為2.6 - 3.4A等。
• 故障定時(shí)器（CT）：充電/放電電流在不同條件下有不同的值，如I_CT源電流，V_CT = 1V，處于電流限制狀態(tài)時(shí)，典型值為35μA；I_CT灌電流，V_CT = 1V，驅(qū)動(dòng)CT到1V時(shí)，典型值為1.4μA。閾值電壓在V_CT上升時(shí)為1.3 - 1.5V，下降時(shí)為0.1 - 0.3V。ON/OFF故障占空比在V_VOUT = 0V時(shí)，典型值為3.7%。
• 使能（EN）：閾值電壓在V_EN下降時(shí)為0.8 - 1.5V，輸入偏置電流在不同條件下有所不同，如V_EN = 2.4V（灌電流）時(shí)為 -1.5 - 0.5μA，V_EN = 0.2V（源電流）時(shí)為0.5 - 2μA。開啟傳播延遲在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN從2.4V變?yōu)?.2V，V_OUT上升到90% × V_IN時(shí)，典型值為350μs；關(guān)閉傳播延遲在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN從0.2V變?yōu)?.4V，V_OUT下降到10% × V_IN時(shí)，典型值為30μs。
• 故障（IFLT）：低電平輸出電壓（V_oL）在V_CT = 1.8V，I_FT = 1mA時(shí)，典型值為0.2V，最大值為0.4V。泄漏電流（I_IFLT）在V_FLT = 18V時(shí)，最大值為1μA。
• 電源良好（PG）：PG閾值（V_PG）在V（V_IN - V_OUT）下降時(shí)，典型值為0.5V，范圍為0.4 - 0.65V。滯后為0.1 - 0.4V。低電平輸出電壓（V_oL）在I_PG = 1mA時(shí)，典型值為0.2V，最大值為0.4V。泄漏電流（I_PG）在V_PG = 18V時(shí)，最大值為1μA。
• 電流監(jiān)測(cè)（IMON）：電流監(jiān)測(cè)輸出與負(fù)載電流的比例在不同負(fù)載電流下有所不同，如I_OUT = 500mA時(shí)，比例為30 - 80A/mA；I_OUT = 2A時(shí)，比例為50 - 70A/mA；I_OUT = 4.5A時(shí)，比例為56 - 66A/mA。偏移電流（源電流）在I_VIN = 0A時(shí)，為 -10 - 0μA。鉗位電壓為2.6 - 2.9V。
• 鎖存功能（LTCH）：低閾值電壓在自動(dòng)重試模式下為0.8V，高閾值在鎖存模式下為2V。輸入偏置電流在V_LTCH = 3.0V時(shí)為 -1 - 1μA，V_LTCH = 0.2V時(shí)為 -50 - 0μA。
• 熱關(guān)斷：熱關(guān)斷溫度在結(jié)溫上升時(shí)為160°C，滯后為10°C。

四、引腳功能及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 引腳功能

2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• CT引腳：連接電容到地設(shè)置故障時(shí)間。故障定時(shí)器在故障電流閾值超過(guò)時(shí)啟動(dòng)，以36μA的電流從地向1.4V的上限閾值充電。如果電容達(dá)到上限閾值，內(nèi)部通態(tài)MOSFET關(guān)閉。在自動(dòng)重試版本中，電容以5μA的電流放電到0.2V，然后重新使能通態(tài)MOSFET。當(dāng)設(shè)備禁用時(shí)，CT通過(guò)100kΩ電阻拉到地。
• FLT引腳：開漏輸出，在導(dǎo)致輸出打開的任何條件下拉低，如過(guò)載故障超時(shí)或熱關(guān)斷。當(dāng)V_IN大于1V時(shí)，F(xiàn)LT在欠壓之前開始工作。
• IFLT引腳：連接到地的電阻設(shè)置故障電流閾值（I_FAULT）。故障電流閾值和電流限制之間的電流在故障定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間內(nèi)可以無(wú)阻礙地流動(dòng)。IFLT不能設(shè)置低于1A，以保持故障電流限制閾值的準(zhǔn)確性。
• IMAX引腳：通過(guò)連接到地的電阻設(shè)置電流限制閾值（I_MAX）。I_MAX必須設(shè)置得足夠大于I_FAULT，以確保即使考慮公差，I_MAX也不會(huì)小于I_FAULT。
• EN引腳：拉低該引腳使設(shè)備使能。輸入閾值具有滯后性，允許用戶使用外部RC電路編程啟動(dòng)延遲。EN通過(guò)10MΩ電阻拉到V_IN，通過(guò)16.8MΩ電阻拉到地，并通過(guò)7V齊納二極管鉗位到地。
• VIN引腳：TPS2420設(shè)備的輸入電壓，推薦工作電壓范圍為3V到18V。所有V_IN引腳應(yīng)連接在一起并連接到電源。
• VOUT引腳：TPS2420設(shè)備的輸出連接，開啟時(shí)輸出電壓近似為(V{OUT }=V{IN }-0.04 × I_{OUT })。所有V_OUT引腳必須連接在一起并連接到負(fù)載。
• LTCH引腳：拉低時(shí)，TPS2420在故障后嘗試重啟；浮空或拉高時(shí)，設(shè)備在故障后鎖存關(guān)閉。該引腳內(nèi)部鉗位在3V，并通過(guò)串聯(lián)100kΩ電阻的二極管拉到內(nèi)部3V電源。
• PG引腳：低電平有效，開漏輸出，電源良好表示無(wú)故障條件且輸出電壓在輸入電壓的0.5V范圍內(nèi)。當(dāng)V_IN大于1V時(shí)，PG在欠壓之前開始工作。
• IMON引腳：I_VIN的縮放模擬輸出。根據(jù)允許的最大A/D輸入電壓（