TPS24720熱插拔控制器：特性、設(shè)計與應用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，熱插拔控制器的使用極為廣泛，能夠確保在帶電系統(tǒng)中安全地插入和拔出模塊，避免對系統(tǒng)造成損害。其中，德州儀器（TI）的TPS24720熱插拔控制器以其豐富的特性和可靠的性能，成為眾多工程師的首選。

文件下載：tps24720.pdf

產(chǎn)品概述

TPS24720是一款適用于2.5V至18V電源軌的易用型全功能保護設(shè)備，其采用3mm×3mm、16引腳的QFN封裝，具有諸多顯著特性，使其在不同應用場景中都能發(fā)揮出色的性能。

特性亮點

• 寬電壓范圍：支持2.5V至18V的工作電壓，可適應多種電源環(huán)境，為不同的系統(tǒng)設(shè)計提供了廣泛的選擇。
• 精準電流限制：在啟動時能實現(xiàn)精確的電流限制，有效保護電路元件，防止因過大電流對設(shè)備造成損壞，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動。
• 可編程保護功能：具備可編程的FET安全工作區(qū)（SOA）保護、可調(diào)電流檢測閾值和可編程故障定時器，工程師可以根據(jù)實際需求靈活設(shè)置保護參數(shù)，增強了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
• 多種監(jiān)測與指示輸出：提供功率良好（Power-Good）輸出、模擬負載電流監(jiān)測輸出、FET故障檢測標志等，方便實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。
• 快速短路保護：擁有快速斷路器，可在發(fā)生短路時迅速切斷電路，保護電源、負載和外部MOSFET，避免故障進一步擴大。
• 低功耗模式：具備低電流待機模式，在系統(tǒng)不需要全功率運行時可降低功耗，提高能源利用效率。

典型應用場景

TPS24720的應用場景非常廣泛，包括但不限于服務器背板、存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）、電信夾層卡、醫(yī)療系統(tǒng)、插件模塊和基站等。這些應用場景對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求極高，TPS24720憑借其出色的性能，能夠有效滿足這些需求。

引腳配置與功能詳解

TPS24720的引腳配置和功能設(shè)計緊密圍繞其特性和應用需求，每個引腳都承擔著特定的任務，下面對主要引腳進行詳細介紹。

使能與控制引腳

• EN（使能輸入）：高電平有效，為芯片提供啟動信號。還可配合外部電阻分壓器，作為欠壓監(jiān)測的輸入，當輸入電壓低于設(shè)定閾值時，可通過拉低EN引腳來關(guān)閉芯片。如果芯片因故障而鎖定關(guān)閉，可通過將EN引腳拉低再拉高來進行復位。
• ENSD（低電流待機模式控制）：將該引腳拉低，可使芯片進入低電流待機模式，此時內(nèi)部電路全部關(guān)閉，PGb、FLTb和FFLTb輸出呈高阻態(tài)，同時通過一個20kΩ的電阻將GATE引腳拉至地，以降低功耗。在需要快速關(guān)閉的應用中，應先通過EN引腳關(guān)閉芯片，再拉低ENSD引腳。

  監(jiān)測與指示引腳

• FFLTb（FET故障指示）：低電平有效，為開漏輸出。當VCC高于欠壓鎖定（UVLO）上升閾值，且EN引腳禁用時IMON引腳電壓超過103mV，表明外部MOSFET可能短路，此時FFLTb引腳會被拉低。在ENSD引腳被拉低、芯片溫度超過過溫保護（OTSD）閾值或VCC低于UVLO下降閾值時，F(xiàn)FLTb引腳呈高阻態(tài)。該引腳在不使用時可懸空。
• FLTb（過載故障指示）：同樣為低電平有效、開漏輸出。當芯片在限流狀態(tài)下持續(xù)時間超過故障定時器設(shè)定時間時，F(xiàn)LTb引腳會被拉低。其行為取決于LATCH引腳的狀態(tài)，若LATCH引腳為高電平或懸空，芯片工作在鎖定模式；若LATCH引腳為低電平，芯片工作在重試模式。無論是哪種模式，F(xiàn)LTb引腳都能準確指示故障狀態(tài)。該引腳在不使用時也可懸空。
• PGb（功率良好指示）：低電平有效，開漏輸出，用于與下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器或監(jiān)測電路進行接口。當FET的漏源電壓低于170mV，并經(jīng)過3.4ms的去毛刺延遲后，PGb引腳被拉低，表示芯片已完成啟動過程，下游電路可以開始工作。當M1的漏源電壓超過240mV時，PGb引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)，提示可能存在過載、短路、過壓等故障情況。該引腳在不使用時可懸空。

  驅(qū)動與控制引腳

• GATE（外部MOSFET柵極驅(qū)動輸出）：為外部N溝道MOSFET提供柵極驅(qū)動信號。芯片內(nèi)部的電荷泵可提供30μA的電流，增強外部MOSFET的驅(qū)動能力。同時，在GATE引腳與VCC引腳之間存在一個13.9V的鉗位電路，可限制柵源電壓，確保MOSFET工作在安全范圍內(nèi)。在啟動過程中，跨導放大器會調(diào)節(jié)M1的柵極電壓，實現(xiàn)浪涌電流限制。當V(GATE - VCC)超過定時器激活電壓（對于VCC = 12V，該電壓為5.9V）時，芯片進入斷路器模式。GATE引腳可通過三種機制被拉低，以保護電路安全。
• TIMER（故障定時電容連接引腳）：連接一個電容到地，用于確定過載故障的定時時間。當出現(xiàn)過載時，TIMER引腳以10μA的電流對電容進行充電；當V(GATE - VCC)超過定時器激活電壓或故障定時器時間到，TIMER引腳以10μA的電流對電容進行放電。M1會在VTIMER達到1.35V時被關(guān)閉。在故障自動重試的應用中，該電容還決定了外部MOSFET重新啟用的周期。建議使用至少1nF的電容，以確保故障定時器正常工作。

  電流與電壓監(jiān)測引腳

• IMON（模擬負載電流監(jiān)測輸出）：通過連接一個電阻到地，可對電流限制和功率限制進行縮放設(shè)置。該引腳的電壓與流經(jīng)檢測電阻RSENSE的電流成正比，可用于監(jiān)測系統(tǒng)中的電流流動。在正常工作時，該引腳不應連接旁路電容或其他負載，以免影響監(jiān)測精度。
• SENSE（電流檢測輸入）：連接到RSENSE的負端，可檢測該電阻兩端的電壓，從而實現(xiàn)對負載電流的監(jiān)測，同時也能監(jiān)測外部FET的漏源電壓。電流限制ILIM由特定公式設(shè)定，當V(VCC - VSENSE)超過60mV時，會觸發(fā)快速跳閘關(guān)機，保護電路免受過載或短路的影響。
• SET（電流限制編程設(shè)置引腳）：通過連接一個電阻到RSENSE的正端，可對電流限制和功率限制進行縮放設(shè)置。該電阻與RIMON和RSENSE共同決定電流限制值，其值可根據(jù)相關(guān)公式計算得出。

  電源與參考引腳

• VCC（輸入電壓檢測與電源）：為芯片提供偏置電源，同時也是上電復位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能的輸入引腳。為了減小電壓檢測誤差，VCC引腳的走線應直接連接到RSENSE的正端，并在RSENSE的正端連接一個至少10nF的旁路電容，以穩(wěn)定電源電壓。
• PROG（功率限制編程引腳）：通過連接一個電阻到地，可設(shè)置外部MOSFET在浪涌期間允許的最大功率。在實際應用中，可根據(jù)MOSFET的最大允許熱應力來確定功率限制值，并通過特定公式計算出所需的RPROG電阻值。

工作模式與原理分析

上電插入模式（Board Plug-In）

當熱插拔板在TPS24720的控制下插入系統(tǒng)總線時，初始階段只有旁路電容的充電電流和小偏置電流。此時，芯片處于不活動狀態(tài)，內(nèi)部電壓需要一段時間來穩(wěn)定。在這段時間內(nèi)，GATE、PROG和TIMER引腳被拉低，PGb、FLTb和FFLTb引腳呈高阻態(tài)。當內(nèi)部VCC電壓超過約1.5V時，上電復位（POR）電路初始化芯片，啟動過程開始。一旦內(nèi)部電壓穩(wěn)定且外部EN引腳超過其閾值，芯片開始從GATE引腳提供電流，開啟MOSFET M1。同時，芯片會監(jiān)測M1的漏源電壓和漏極電流，并通過控制柵極電壓來限制漏極電流，確保MOSFET的功率耗散不超過用戶設(shè)定的功率限制值。

浪涌電流限制模式（Inrush Operation）

在芯片初始化完成且EN引腳激活后，GATE引腳開始增加電壓。當VGATE達到MOSFET M1的柵極閾值時，電流開始流入下游的大容量存儲電容。當該電流超過功率限制引擎設(shè)定的限制值時，反饋回路會調(diào)節(jié)MOSFET的柵極，使MOSFET電流以受控的方式上升，從而限制電容充電浪涌電流，并將MOSFET的功率耗散限制在安全水平。在GATE引腳啟用時，TIMER引腳開始以約10μA的電流對定時電容CT進行充電，直到V(GATE - VCC)達到定時器激活電壓（對于VCC = 12V，該電壓為5.9V），此時TIMER引腳開始以約10μA的電流對CT進行放電，表示浪涌模式結(jié)束。如果在V(GATE - VCC)達到定時器激活電壓之前，TIMER超過其上限閾值1.35V，GATE引腳將被拉低，芯片根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)進入鎖定模式或自動重試模式。

恒功率引擎工作原理（Action of the Constant-Power Engine）

在啟動過程中，恒功率引擎發(fā)揮著重要作用。通過連接在PROG和地之間的電阻，可將電路的功率限制設(shè)置為特定值。當電流開始流經(jīng)MOSFET時，其兩端的電壓為輸入電壓VCC。恒功率引擎會根據(jù)功率限制值和當前電壓，允許相應的電流流過MOSFET，并且隨著漏源電壓的減小，電流會以反比例的方式增加，以保持MOSFET的功率耗散恒定。這種行為類似于折返限流，但能使功率器件在接近其最大能力的狀態(tài)下工作，從而減少啟動時間并最小化所需MOSFET的尺寸。

斷路器與快速跳閘功能（Circuit Breaker and Fast Trip）

TPS24720通過檢測RSENSE兩端的電壓來監(jiān)測負載電流，并設(shè)有兩個不同的閾值：電流限制閾值和快速跳閘閾值。當負載電流超過電流限制閾值但低于快速跳閘閾值時，約10μA的電流會開始對定時電容CT進行充電。如果CT上的電壓達到1.35V，外部MOSFET將被關(guān)閉，芯片根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)進入鎖定或重啟循環(huán)，同時故障引腳FLTb會被拉低，以指示故障狀態(tài)。這種保護機制類似于電子斷路器，允許在一定時間內(nèi)存在過載電流。而快速跳閘閾值則用于保護系統(tǒng)免受嚴重過載或短路的影響。當RSENSE兩端的電壓超過60mV的快速跳閘閾值時，GATE引腳會立即以約1A的電流將外部MOSFET的柵極拉至地，實現(xiàn)快速關(guān)機。這種快速關(guān)機可能會在系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾性瞬變，可通過在GATE引腳和MOSFET柵極之間插入一個低值電阻來緩解?？焖偬l電路會將MOSFET保持關(guān)閉狀態(tài)幾微秒，然后芯片會緩慢重新開啟，讓電流限制反饋回路接管M1的柵極控制，最終根據(jù)預定條件進入鎖定模式或自動重試模式。

自動重啟模式（Automatic Restart）

如果LATCH引腳連接到地，當故障導致外部MOSFET M1關(guān)閉后，TPS24720會自動啟動重啟過程。內(nèi)部控制電路會使用CT來計數(shù)16個周期，然后重新啟用M1。如果故障仍然存在，這個序列會不斷重復。定時器的充電和放電電流比為1:1，在第一個周期，TIMER引腳從0V上升到上限閾值1.35V，然后下降到0.35V后重啟；在接下來的16個周期中，以0.35V作為下限閾值。這種小占空比的設(shè)計通常能將平均短路功率耗散降低到正常運行水平，避免了在長時間輸出短路情況下的特殊熱考慮。

PGb、FLTb和定時器操作（PGb, FLTb, and Timer Operations）

• PGb引腳：其開漏輸出可基于M1兩端的電壓提供去毛刺后的浪涌結(jié)束指示，對于防止下游DC/DC轉(zhuǎn)換器在其輸入電容COUT仍在充電時啟動非常有用。在COUT充電約3.4ms后，PGb引腳變?yōu)榈碗娖剑藭rM1已完全開啟，電源電路中的任何瞬變都已結(jié)束，下游轉(zhuǎn)換器可以安全啟動。這種時序安排可防止下游轉(zhuǎn)換器在功率限制引擎允許MOSFET傳導由電流限制ILIM設(shè)定的全電流之前要求全電流，避免系統(tǒng)啟動失敗。在芯片成功啟動后，當MOSFET M1的漏源電壓超過其上限閾值340mV時，PGb引腳會恢復到高阻態(tài)，為下游轉(zhuǎn)換器提供警告信號。
• FLTb引腳：作為一個指示器，當負載電流超過編程的電流限制（但不超過快速跳閘閾值）的允許故障定時器周期結(jié)束時，F(xiàn)LTb引腳會被拉低。故障定時器在約10μA的電流開始流入外部電容CT時啟動，當CT的電壓達到TIMER上限閾值1.35V時結(jié)束。在其他情況下，F(xiàn)LTb引腳呈高阻態(tài)。
• 定時器操作：故障定時器狀態(tài)需要一個外部電容CT連接在TIMER引腳和地之間，其持續(xù)時間為CT從0V充電到上限閾值1.35V的時間。故障定時器在三種情況下開始計數(shù)：在浪涌模式下，當MOSFET M1啟用時，TIMER開始向定時器電容CT提供電流；當V(GATE - VCC)超過定時器激活電壓時，TIMER開始從CT吸收電流。如果在V(GATE - VCC)達到定時器激活電壓之前，TIMER達到1.35V，芯片將禁用外部MOSFET M1。在過載故障或輸出短路故障時，當負載電流超過編程的電流限制后，TIMER開始向CT提供電流；當CT電壓達到上限閾值1.35V時，TIMER開始從CT吸收電流，GATE引腳被拉至地。在故障定時器周期結(jié)束后，根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)，TIMER可能進入鎖定模式或重試模式。如果在故障定時器周期內(nèi)，故障電流降至編程的電流限制以下，VTIMER會降低，并且通態(tài)MOSFET將保持啟用狀態(tài)。在鎖定模式和重試模式下，TIMER的行為有所不同。在鎖定模式下，TIMER引腳會周期性地對連接的電容進行充電和放電，直到芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用；在重試模式下，TPS24720會在TIMER對CT進行16個充電和放電周期后嘗試重新啟動。在第16個充電和放電周期結(jié)束時，TIMER引腳被拉至地，然后在GATE引腳提供電流的初始半周期內(nèi)從0V上升到1.35V。一旦過載故障消除或芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用，這種周期性模式將停止。

  過溫保護（Overtemperature Shutdown）

  TPS24720內(nèi)置了過溫保護電路，當芯片溫度超過約140°C時，該電路會禁用柵極驅(qū)動器，同時FLTb、FFLTb和PGb引腳會變?yōu)楦咦钁B(tài)，以保護芯片免受過溫損壞。當芯片溫度下降約10°C后，芯片將恢復正常工作。

  啟動方式（Start-Up of Hot-Swap Circuit by VCC or EN）

  TPS24720有兩種啟動MOSFET M1的方式：當EN引腳電壓高于其上限閾值，且VCC電壓高于UVLO上限閾值時，芯片會從GATE引腳提供電流，經(jīng)過浪涌期后，芯片會完全開啟MOSFET M1；或者當VCC電壓高于UVLO上限閾值，且EN引腳電壓高于其上限閾值時，同樣會觸發(fā)上述過程。通過EN引腳，可在選定的輸入電壓VCC下啟動芯片。為了將負載與輸入電源總線隔離，GATE引腳會吸收電流并將MOSFET M1的柵極拉低。MOSFET可在多種情況下被禁用，如UVLO、EN、ENSD、負載電流超過電流限制閾值、負載短路、OV或OTSD等。GATE引腳可通過三種不同的機制被拉低，以確保在各種故障情況下都能及時保護電路。

  低功耗待機模式（Minimization of Power Dissipation at STANDY by ENSD）

  ENSD引腳使TPS24720能夠在需要低功耗待機模式的應用中使用。當該引腳電壓低于其閾值電壓時，所有內(nèi)部電路將被關(guān)閉，GATE引腳通過一個20kΩ的電阻放電至地，從而禁用MOSFET，將功耗降至最低。進入待機模式的正確步驟是先通過EN引腳關(guān)閉芯片，然后拉低ENSD引腳。

  MOSFET短路檢測（Fault Detection of MOSFET Short With FFLTb）

  FFLTb引腳是TPS24720的一個重要特性，可用于檢測MOSFET的短路情況。當EN引腳電壓低于其閾值、VCC電壓高于UVLO閾值且VIMON > 103mV時，F(xiàn)FLTb引腳會被拉低，表明GATE引腳已關(guān)閉，但電流仍在流經(jīng)RSENSE，這意味著MOSFET可能存在漏源短路故障。

設(shè)計與應用實例

設(shè)計考慮因素

在設(shè)計使用TPS24720的熱插拔電路時，需要考慮三個關(guān)鍵場景：啟動、熱插拔時輸出短路（熱短路）以及輸出和地短路時給電路板上電（啟動到短路）。這些場景都會對熱插拔MOSFET造成應力，因此在設(shè)計電路時，必須確保MOSFET在其安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)運行?？梢允褂肨PS24720設(shè)計計算器（SLVC563）來輔助進行詳細的設(shè)計方程計算。

典型應用設(shè)計

以一個12V、10A的系統(tǒng)為例，介紹TPS24720的典型應用設(shè)計。

設(shè)計