TPS2474x：高性能熱插拔與ORing控制器的深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計中，熱插拔和ORing功能對于提高系統(tǒng)的可用性和可靠性至關(guān)重要。TPS2474x系列控制器為2.5V至18V系統(tǒng)提供了集成的ORing和熱插拔解決方案，具備精確且可編程的保護設(shè)置，能有效滿足高功率、高可用性系統(tǒng)的設(shè)計需求。

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一、產(chǎn)品概述

TPS2474x包括TPS24740、TPS24741和TPS24742三款產(chǎn)品，它們采用4mm × 4mm 24 - pin QFN封裝。該系列控制器支持2.5V至18V的總線操作（絕對最大30V），具有可編程的保護設(shè)置，如電流限制、快速跳閘、反向電壓保護等，還具備可編程的響應(yīng)時間、FET安全工作區(qū)（SOA）保護、雙定時器（浪涌/故障）、熱插拔和ORing功能可互換、模擬電流監(jiān)測以及故障和電源正常狀態(tài)標志等特性。

1.1 主要特性

• 寬電壓范圍：2.5V至18V的總線操作電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 可編程保護：電流限制精度在10mV時為±5%，快速跳閘精度在20mV時為±10%，反向電壓精度在 - 1mV時為±1mV。
• 雙定時器：獨立的浪涌和故障定時器，可根據(jù)系統(tǒng)需求定制保護策略。
• 模擬電流監(jiān)測：在25mV時精度為1%，為系統(tǒng)提供準確的電流信息。
• 狀態(tài)標志：提供故障和電源正常狀態(tài)標志，方便系統(tǒng)監(jiān)控。
• UV和OV保護：防止過壓和欠壓對系統(tǒng)造成損害。
• 獨立使能：熱插拔和ORing功能可獨立使能，增加設(shè)計靈活性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS2474x適用于多種應(yīng)用場景，包括企業(yè)存儲、電源復(fù)用、冗余電源和電池備份等。在這些應(yīng)用中，它能有效保護負載和電源，提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。

2.1 企業(yè)存儲

在企業(yè)存儲系統(tǒng)中，熱插拔功能允許在不中斷系統(tǒng)運行的情況下更換硬盤或其他存儲設(shè)備，TPS2474x的精確保護設(shè)置能確保在熱插拔過程中不會對系統(tǒng)造成損害。

2.2 電源復(fù)用

通過ORing功能，TPS2474x可以實現(xiàn)多個電源的無縫切換，提高電源的可靠性和可用性。當(dāng)一個電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以自動切換到其他電源，確保設(shè)備正常運行。

2.3 冗余電源

在冗余電源系統(tǒng)中，TPS2474x可以防止反向電流，確保電源之間的安全切換。當(dāng)主電源故障時，備用電源可以迅速接管，保證系統(tǒng)的持續(xù)供電。

2.4 電池備份

在電池備份系統(tǒng)中，TPS2474x可以實現(xiàn)電池的充電和放電管理，同時防止電池過充和過放，延長電池的使用壽命。

三、詳細特性分析

3.1 內(nèi)部電源ORing

TPS2474x的ORing功能通過內(nèi)部總線（ (V{INT}) ）實現(xiàn)，該總線由A、C和VDD通過ORing得到。這確保了即使輸入或輸出短路到地，控制器仍能正常供電和工作。ORing功能的欠壓鎖定（UVLO）基于 (V{INT}) 導(dǎo)軌，不過該部分可能會從A或C引腳吸取高達3mA的電流，因此建議將連接這些引腳的走線盡量縮短，并避免在路徑中添加電阻。

3.2 使能和過壓保護

熱插拔和ORing部分可以分別通過ENHS和ENOR引腳獨立使能。當(dāng)引腳電壓超過1.35V時，控制器啟用；當(dāng)引腳電壓低于1.3V時，控制器禁用，具有50mV的遲滯。通過連接電阻分壓器到這些引腳，可以在特定總線電壓下開啟TPS2474x。如果OV引腳電壓超過1.35V，ORing和熱插拔FET將被關(guān)閉。

3.3 電流和功率限制

在啟動期間，TPS2474x的電流和功率限制功能可編程，以保護負載、電源和熱插拔MOSFET。通過調(diào)節(jié)柵極電壓，確保MOSFET的電流和功率耗散低于預(yù)先設(shè)定的閾值。最大允許電流 (I{LIM}) 由以下公式確定： [LIM =MINleft(LIM,CL, frac{P{LIM}}{V{DS}}right)] 其中， (LIM,CL) 是編程的電流限制， (P{LIM}) 是編程的功率限制， (V_{DS}) 是熱插拔MOSFET的漏源電壓。

3.4 兩級保護

在啟動完成后，TPS2474x不再主動控制HGATE。當(dāng)電流在電流限制和快速跳閘閾值之間時，定時器開始運行，定時器到期后柵極將被拉低。如果電流超過快速跳閘閾值，HGATE將立即被拉低。

3.5 雙定時器

TPS2474x具有兩個定時器引腳TINR和TFLT，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)需求定制保護策略。TINR引腳在啟動模式下，當(dāng)設(shè)備主動調(diào)節(jié)柵極以限制MOSFET功率或電流時，提供10.25μA的電流；否則，吸收2μA的電流。TFLT引腳在正常運行且FET電流超過電流限制時，提供10.25μA的電流；否則，吸收2μA的電流。當(dāng)任何一個定時器引腳電壓超過1.35V時，TPS2474x超時。TPS24740和TPS24742會鎖定關(guān)閉，而TPS24741會進行64個TINR周期的重試。

3.6 軟啟動考慮

在啟動期間，TPS2474x通過調(diào)節(jié)HGATE來保持FET功率耗散在 (P{LIM}) 范圍內(nèi)。這通過監(jiān)測IMON電壓和內(nèi)部參考電壓的放大器實現(xiàn)。當(dāng) (V{IMON}) 低于參考電壓時，TPS24740向HGATE提供電流；當(dāng) (V{IMON}) 高于參考電壓時，吸收電流。在穩(wěn)態(tài)下， (V{IMON}) 將被調(diào)節(jié)到 (V_{IMON,PL}) 點，此時IHGATE為零。

3.7 快速跳閘響應(yīng)

TPS24740、TPS24741和TPS24742對快速跳閘事件有不同的響應(yīng)。當(dāng)電流超過快速跳閘閾值時，柵極會迅速拉低以減少短路造成的損害。TPS24740在檢測到熱短路后嘗試重啟一次，然后保持關(guān)閉；TPS24741以約0.5%的占空比持續(xù)重試；TPS24742關(guān)閉后不再重試。

3.8 可編程反向電壓閾值

TPS2474x具有可編程的反向電壓閾值。內(nèi)部比較器檢測到RVSNP高于RVSNM時，會關(guān)閉ORing MOSFET。通過 (R{RV}) 和99μA電流源預(yù)偏置RVSNP，可有效設(shè)置反向電壓閾值。 (C{RV}) 和 (R_{RV}) 用于過濾ORing FET漏源之間的瞬態(tài)。

3.9 模擬電流監(jiān)測

TPS2474x提供兩個模擬電流監(jiān)測輸出：IMON和IMONBUF。IMON更準確，因為它沒有第二級誤差，但輸出阻抗高，節(jié)點上的泄漏電流會導(dǎo)致監(jiān)測誤差，且只能支持30pF的電容，滿量程范圍為675mV。IMONBUF對IMON信號進行3倍緩沖，雖然引入了更多誤差，但輸出阻抗低，滿量程范圍大，可驅(qū)動高達100pF的電容。

3.10 電源良好標志

TPS2474x的PGHS引腳用作電源良好標志，用于啟動下游DC/DC轉(zhuǎn)換器，減少啟動期間熱插拔MOSFET的應(yīng)力。當(dāng)熱插拔啟用且熱插拔MOSFET的 (V{DS}) 低于240mV時，PGHS引腳置位（有1ms消抖）；當(dāng)熱插拔禁用、 (V{DS}) 高于310mV或過流導(dǎo)致定時器超時鎖定關(guān)閉時，PGHS引腳復(fù)位（有8ms消抖）。

3.11 ORing MOSFET狀態(tài)指示

STAT標志指示BGATE（ORing FET驅(qū)動器）的開關(guān)狀態(tài)。在抽取顯著負載之前，確保ORing FET開啟是良好的做法，以防止ORing FET過熱。

3.12 故障報告

當(dāng)出現(xiàn)以下情況時，TPS2474x會通過拉低FLTb引腳來報告故障：熱插拔MOSFET短路故障（ (ENHS = LO) ，但 (VIMON > 101 mV) ）、熱插拔定時器超時、ORing MOSFET開路故障（ (ENOR = HI) ，CP正常，但 (V_{AC}>410 mV) ）、CP故障超過32ms、過溫關(guān)閉（OTSD）。

四、設(shè)備功能模式

4.1 ORing功能模式

ORing部分有三種模式：

• 預(yù)充電CP：在開始正常操作之前，TPS2474x對CP節(jié)點進行充電。此狀態(tài)在POR/UVLO之后或CP電壓低于3.7V時進入。當(dāng)CP電壓高于5.5V時，進入FET OFF狀態(tài)。
• FET OFF：ORing FET關(guān)閉，通過35mA電流源拉低到A。當(dāng)檢測到FET兩端的正向電壓降（ (V_{AC}>10 mV) ）時，進入FET ON狀態(tài)。有一個持續(xù)20μs的30mA快速上拉，隨后是持續(xù)的0.3mA上拉。
• FET ON：ORing FET拉高到CP電壓。當(dāng)檢測到反向電流（ (RVSNP > RVSNM) ）時，進入OFF狀態(tài)。有一個持續(xù)15μs的0.9A下拉電流，隨后是持續(xù)的35mA下拉。

4.2 熱插拔功能模式

熱插拔部分的狀態(tài)機在POR / UVLO事件后，等待電荷泵啟動1.9ms后開始啟動。運行后有以下功能模式：

• 浪涌模式（INR）：熱插拔控制器主動調(diào)節(jié)HGATE以滿足電流和功率限制設(shè)置。如果控制器處于功率或電流限制狀態(tài)，浪涌定時器運行。如果浪涌定時器超時，柵極將被拉低。TPS24740和TPS24742進入鎖定模式，TPS24741進入重試模式。
• 正常運行模式（REG）：一切正常運行，兩個定時器放電，HGATE為高。如果出現(xiàn)過流情況（ (V{SNS}>V{SNS, CL}) ），設(shè)備進入故障模式；如果出現(xiàn)快速跳閘情況（ (V{SNS }>V{FSTP }) ），柵極以1A / 63μs脈沖拉低。TPS24742進入鎖定狀態(tài)，TPS24740和TPS24741返回浪涌模式重試。
• 故障模式（FLT）：TPS2474x運行故障定時器。定時器到期后，TPS24740和TPS24742進入鎖定模式，TPS24741進入重試模式。如果過流情況消除，控制器返回正常運行模式。
• 鎖定模式（Latched）：HGATE為低，定時器放電，F(xiàn)LTb置位。如果ENHS出現(xiàn)上升沿，設(shè)備將定時器放電并進入浪涌模式。
• 重試模式（Retry）：設(shè)備對浪涌定時器進行64次充電和放電后，嘗試再次重試。

五、應(yīng)用與設(shè)計

5.1 典型應(yīng)用示例

文檔提供了兩個典型應(yīng)用示例：

• 30A單通道OR然后熱插拔帶電流監(jiān)測：使用TPS24740，設(shè)計要求包括輸入電壓范圍11V - 13V、最大直流負載電流30A、最大熱插拔輸出電容1500μF等。設(shè)計過程包括選擇 (R_{SNS}) 和 (SNS,CL) 設(shè)置、快速跳閘閾值和濾波、熱插拔FET、功率限制、故障定時器等，并進行MOSFET SOA檢查、ORing MOSFET選擇、反向電流閾值和濾波設(shè)置、欠壓和過壓設(shè)置等。
• 40A單通道熱插拔然后ORing：使用TPS24742，設(shè)計要求與前一個示例類似，但最大輸出電容更大，最大電流更高，且有60A持續(xù)200ms的瞬態(tài)負載要求。設(shè)計過程與前一個示例相似，但需要使用兩個定時器來滿足負載瞬態(tài)要求。

5.2 系統(tǒng)示例

TPS2474x支持多種冗余配置，如電池備份、優(yōu)先級復(fù)用、多負載多電源系統(tǒng)、兩個電源驅(qū)動一個負載以及冗余DC/DC應(yīng)用等。在不同的系統(tǒng)配置中，TPS2474x能有效保護負載和電源，確保系統(tǒng)的可靠性和可用性。

六、布局與電源建議

6.1 布局指南

在ORing然后熱插拔配置中，TPS2474x的布局應(yīng)遵循以下最佳實踐：

• 確保 (R_{SNS}) 的正確開爾文檢測。
• 將濾波電容 (C{FSTP}) 和 (C{RV}) 盡可能靠近IC放置。
• 保持 (C_{CP}) 到CP和A的走線盡可能短。
• 從A和RVSNM到ORing FET源極運行單獨的走線，以防止電荷泵噪聲和直流偏置干擾反向電流閾值。
• 從C和 (R_{RV}) 到ORing FET漏極運行單獨的走線。
• 在熱插拔MOSFET源極附近放置肖特基二極管和陶瓷旁路電容，在ORing MOSFET源極附近的 (V_{IN}) 和地之間放置TVS和陶瓷旁路電容。
• 使用單獨的走線連接VDD和SENM。
• 特別注意VDD引腳旁路電容的放置，避免在熱短路時形成LC濾波器，導(dǎo)致VDD和SENM之間的差分電壓超過絕對最大額定值。

6.2 電源建議

一般來說，輸入電源應(yīng)盡量減少噪聲和顯著的瞬變。對于噪聲較大的環(huán)境，應(yīng)調(diào)整輸入、輸出、快速跳閘和反向跳閘的濾波，以避免誤跳閘。

七、總結(jié)

TPS2474x系列控制器為2.5V至18V系統(tǒng)提供了全面的熱插拔和ORing解決方案。其豐富的可編程特性和精確的保護設(shè)置，使其適用于各種需要高可靠性和可用性的應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和配置各個參數(shù)，同時注意布局和電源的優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的熱插拔和ORing設(shè)計問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。