深入解析LM5067：負(fù)熱插拔/浪涌電流控制器的技術(shù)奧秘

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，熱插拔功能和浪涌電流控制至關(guān)重要，它能確保設(shè)備在帶電系統(tǒng)中安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。德州儀器（TI）的LM5067負(fù)熱插拔/浪涌電流控制器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入探討一下LM5067的技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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一、LM5067特性亮點(diǎn)

1. 寬工作范圍

LM5067的工作電壓范圍為 -9 V至 -80 V，具備 -100 V的瞬態(tài)承受能力，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，為設(shè)計(jì)提供了更廣泛的選擇。

2. 浪涌電流限制

在電路卡插入帶電系統(tǒng)背板或其他“熱”電源時(shí)，LM5067能有效控制浪涌電流，減少系統(tǒng)電壓降和瞬態(tài)干擾，保護(hù)其他電路不受影響，避免意外復(fù)位的發(fā)生。

3. 可編程功能

• 最大功耗限制：通過外部電阻可對(duì)外部串聯(lián)N溝道MOSFET的最大功耗進(jìn)行編程，確保其在安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi)運(yùn)行。
• 電流限制：可調(diào)節(jié)電流限制閾值，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
• 欠壓和過壓鎖定：可編程的欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）功能，以及相應(yīng)的遲滯設(shè)置，能在輸入電壓超出正常范圍時(shí)及時(shí)關(guān)閉電路，保護(hù)設(shè)備安全。

  4. 故障保護(hù)功能

• 斷路器功能：當(dāng)檢測(cè)到嚴(yán)重過流情況（如負(fù)載短路）時(shí)，能迅速切斷串聯(lián)開關(guān)器件，保護(hù)系統(tǒng)安全。
• 可編程故障定時(shí)器：避免誤觸發(fā)，提高系統(tǒng)的可靠性。

  5. 電源良好指示

  有源高電平開漏POWER GOOD輸出，可指示輸出電壓是否接近輸入電壓，方便用戶實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)狀態(tài)。

  6. 多種工作模式

  提供鎖存故障和自動(dòng)重啟兩種版本，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

二、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

LM5067的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

• 服務(wù)器背板系統(tǒng)：確保服務(wù)器在帶電背板上的安全插拔，減少對(duì)系統(tǒng)的影響。
• 浪涌電流限制：有效控制設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，保護(hù)電源和其他設(shè)備。
• 固態(tài)斷路器：實(shí)現(xiàn)快速切斷電路，保護(hù)系統(tǒng)免受短路等故障的影響。
• 瞬態(tài)電壓保護(hù)器：對(duì)瞬態(tài)電壓進(jìn)行保護(hù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 固態(tài)繼電器：可作為固態(tài)繼電器使用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)控制。
• 欠壓鎖定和電源良好檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓和輸出狀態(tài)，確保系統(tǒng)在正常電壓范圍內(nèi)工作。

三、功能原理剖析

1. 上電序列

系統(tǒng)電壓從0開始上升時(shí)，外部N溝道MOSFET（Q1）被GATE引腳的110 mA下拉電流保持關(guān)斷。當(dāng)LM5067的工作電壓（VCC – VEE）達(dá)到 (POR{IT}) 閾值（7.7V）時(shí)，插入定時(shí)器啟動(dòng)，此時(shí)TIMER引腳的電容 (C{T}) 由6 μA電流源充電，Q1仍被2.2 mA下拉電流保持關(guān)斷，以允許系統(tǒng)電壓的振蕩和瞬態(tài)穩(wěn)定。插入時(shí)間結(jié)束后，當(dāng)工作電壓達(dá)到 (POR_{EN}) 閾值（8.4 V）時(shí)，LM5067控制電路啟用。當(dāng)系統(tǒng)電壓超過UVLO閾值（UVLO引腳 > 2.5V 高于VEE）時(shí)，GATE引腳輸出52 μA電流開啟Q1，同時(shí)監(jiān)測(cè)Q1的漏極電流和功耗，進(jìn)行浪涌電流限制和功率限制。

2. 柵極控制

在正常工作時(shí)，GATE引腳輸出52 μA電流使Q1導(dǎo)通，Q1的柵源電壓被限制在約13V。在系統(tǒng)電壓初始施加時(shí)，GATE引腳被110 mA下拉電流拉低，防止MOSFET因漏柵電容充電而誤開啟。在插入時(shí)間內(nèi)，GATE引腳被2.2 mA下拉電流拉低，確保Q1處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓低于UVLO閾值或高于OVLO閾值時(shí)，GATE引腳被2.2 mA下拉電流拉低，關(guān)閉Q1。

3. 電流限制

當(dāng)檢測(cè)電阻 (R{S}) 兩端的電壓達(dá)到50 mV時(shí)，電流限制閾值被觸發(fā)，GATE電壓被控制以限制MOSFET Q1的電流。在電流限制期間，故障定時(shí)器啟動(dòng)。如果負(fù)載電流在故障超時(shí)周期結(jié)束前降至電流限制閾值以下，LM5067恢復(fù)正常工作。為確保正常工作， (R{S}) 電阻值應(yīng)不大于100 mΩ。

4. 斷路器功能

當(dāng)負(fù)載電流迅速增加（如負(fù)載短路），檢測(cè)電阻 (R{S}) 中的電流超過電流限制閾值的約兩倍（100 mV/ (R{S}) ）時(shí)，GATE引腳的110 mA下拉電流迅速拉低Q1的柵極，啟動(dòng)故障超時(shí)周期。當(dāng) (R_{S}) 兩端的電壓降至100 mV以下時(shí)，110 mA下拉電流關(guān)閉，Q1的柵極電壓由電流限制或功率限制功能決定。

5. 功率限制

LM5067通過監(jiān)測(cè)Q1的漏源電壓（OUT至SENSE）和漏極電流，計(jì)算Q1的功耗。當(dāng)功耗達(dá)到由PWR引腳電阻編程的功率限制閾值時(shí)，GATE電壓被調(diào)制以降低Q1的電流，同時(shí)故障定時(shí)器啟動(dòng)。功率限制功能可確保MOSFET Q1的最大功耗在其SOA額定范圍內(nèi)。

6. 故障定時(shí)器和重啟

當(dāng)電流限制或功率限制閾值被觸發(fā)時(shí)，85 μA的故障定時(shí)器電流源對(duì) (C{T}) 充電。如果故障在TIMER引腳電壓達(dá)到4.0V之前消除，LM5067恢復(fù)正常工作， (C{T}) 被2.5 μA電流源放電。如果TIMER引腳電壓達(dá)到4.0V，Q1被2.2 mA下拉電流關(guān)閉。LM5067-1在故障超時(shí)周期結(jié)束后鎖定GATE引腳低電平，需要外部重新啟動(dòng)；LM5067-2則在故障超時(shí)周期后自動(dòng)進(jìn)行重啟序列，TIMER引腳在4 V和1.25 V之間循環(huán)七次，最后在第八次降至0.3 V時(shí)開啟Q1。

7. 欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）

通過外部電阻分壓器設(shè)置UVLO和OVLO閾值，當(dāng)輸入電源電壓低于UVLO閾值或高于OVLO閾值時(shí)，Q1被關(guān)閉，同時(shí)提供遲滯功能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

8. 電源良好引腳（PGD）

PGD引腳連接到內(nèi)部N溝道MOSFET的漏極，需要外部上拉電阻。當(dāng)外部MOSFET的 (V{DS}) 降至1.23 V以下時(shí)，PGD引腳輸出高電平；當(dāng) (V{DS}) 超過2.5 V、系統(tǒng)輸入電壓低于UVLO閾值或高于OVLO閾值、或檢測(cè)到故障時(shí)，PGD引腳輸出低電平。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 設(shè)計(jì)要求

• 確定系統(tǒng)電壓范圍：選擇合適的輸入電阻 (R{IN}) ，確保在最小系統(tǒng)電壓下為VCC引腳提供至少2 mA電流，并根據(jù)最大系統(tǒng)電壓計(jì)算 (R{IN}) 的功率額定值。
• 確定電流限制閾值：根據(jù)正常最大負(fù)載電流和電流檢測(cè)電阻的公差，確定電流限制閾值 (I{LIM}) ，并計(jì)算 (R{S}) 的值。
• 確定功率限制閾值：根據(jù)MOSFET的SOA信息，確定最大允許功率耗散 (P{FET(LIM)}) ，并計(jì)算 (R{PWR}) 的值。
• 確定定時(shí)器電容 (C_{T}) 的值：根據(jù)插入時(shí)間延遲、故障超時(shí)周期和重啟時(shí)間的要求，計(jì)算 (C_{T}) 的值。
• 設(shè)置UVLO和OVLO閾值：根據(jù)應(yīng)用需求，選擇合適的方法設(shè)置UVLO和OVLO閾值及遲滯。
• 選擇合適的電源良好輸出電壓和上拉電阻：確保PGD引腳能準(zhǔn)確指示系統(tǒng)狀態(tài)。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

(R{IN}) 和 (C{IN}) 的選擇

LM5067的工作電壓由內(nèi)部13 V并聯(lián)穩(wěn)壓器確定， (R_{IN}) 需確保在最小系統(tǒng)電壓下為LM5067提供至少2 mA電流，并根據(jù)最大系統(tǒng)電壓計(jì)算其功率額定值。

電流限制 (R_{S}) 的計(jì)算

根據(jù)所需的電流限制閾值 (I{LIM}) ，計(jì)算 (R{S}) 的值： (R{S}=frac{50 mV}{I{LIM}}) 。同時(shí)，要考慮 (R_{S}) 的功率額定值和浪涌能力，采用Kelvin連接技術(shù)確保準(zhǔn)確測(cè)量電流。

功率限制閾值的設(shè)置

根據(jù)所需的功率限制閾值 (P{FET(LIM)}) 和 (R{S}) 的值，計(jì)算 (R{PWR}) 的值： (R{PWR}=1.42 × 10^{5} × R{S} × P{FET(LIM)}) 。為確保功率限制功能正常工作， (R_{PWR}) 應(yīng)不大于150 kΩ。

開啟時(shí)間的計(jì)算

開啟時(shí)間取決于LM5067在開啟過程中是僅工作在電流限制模式還是同時(shí)工作在功率限制和電流限制模式。不同模式下，開啟時(shí)間的計(jì)算公式不同，需根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算，并確保故障超時(shí)周期大于開啟時(shí)間。

MOSFET的選擇

選擇外部MOSFET（Q1）時(shí)，應(yīng)考慮其 (BV{DSS}) 額定值、最大連續(xù)電流額定值、脈沖漏極電流規(guī)格、SOA圖表和熱特性等因素，確保其能滿足應(yīng)用需求。如果Q1的最大 (V{GS}) 額定值小于13V，需添加外部齊納二極管進(jìn)行保護(hù)。

定時(shí)器電容 (C_{T}) 的確定

根據(jù)插入延遲、故障超時(shí)周期和重啟時(shí)間的要求，分別計(jì)算 (C{T}) 的值。插入延遲時(shí)間 (t1) 對(duì)應(yīng)的 (C{T}) 計(jì)算公式為 (C{T}=t1 × 1.5 × 10^{-6}) ；故障超時(shí)周期 (t{FAULT}) 對(duì)應(yīng)的 (C{T}) 計(jì)算公式為 (C{T}=t{FAULT} × 2.13 × 10^{-5}) ；LM5067-2的重啟時(shí)間 (t{RESTART}) 對(duì)應(yīng)的 (C{T}) 計(jì)算公式為 (t{RESTART}=C_{T} × 9.4 × 10^{6}) 。

UVLO和OVLO的設(shè)置

可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的方法設(shè)置UVLO和OVLO閾值及遲滯，如使用三個(gè)電阻（R1 - R3）或四個(gè)電阻（R1 - R4）的配置。在設(shè)置過程中，要確保UVLO和OVLO引腳的電壓不超過其絕對(duì)最大額定值。

熱考慮

為確保LM5067的結(jié)溫不超過125°C，需根據(jù)環(huán)境溫度、熱阻和功耗進(jìn)行熱計(jì)算。結(jié)溫計(jì)算公式為 (T{J}=T{A}+(R{theta JA} × P{D})) ，其中 (P{D}=13 V × I{CC}) 。

系統(tǒng)考慮

在設(shè)計(jì)中，要確保電源側(cè)有足夠的電容來吸收負(fù)載電流關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，避免損壞LM5067。對(duì)于感性負(fù)載，需在LM5067的輸出端添加二極管，提供負(fù)載電流的回流路徑。在極端反向電流浪涌事件中，可使用串聯(lián)電阻和肖特基二極管保護(hù)SENSE、SENSE_K和OUT引腳。

電源良好引腳的設(shè)計(jì)

PGD引腳在初始上電時(shí)為高電平，當(dāng)工作電壓超過約2V時(shí)變?yōu)榈碗娖剑?dāng)Q1導(dǎo)通且OUT引腳電壓與SENSE引腳電壓之差小于1.23 V時(shí)，PGD引腳再次變?yōu)楦唠娖健？筛鶕?jù)需要添加延遲電路，如使用電容或電阻電容組合來實(shí)現(xiàn)不同的延遲效果。

五、布局設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 布局準(zhǔn)則

• 將LM5067靠近電路板的輸入連接器，減少連接器到FET的走線電感。
• 將 (R{IN}) 和 (C{IN}) 靠近VCC和VEE引腳，降低瞬態(tài)電壓對(duì)LM5067的影響。
• 檢測(cè)電阻 (R_{S}) 應(yīng)靠近LM5067，并采用Kelvin連接技術(shù)。
• 高電流路徑和返回路徑應(yīng)盡量平行且靠近，以減少環(huán)路電感。
• 各組件的VEE連接應(yīng)直接連接到LM5067的VEE引腳，再連接到系統(tǒng)VEE。
• 為串聯(lián)開關(guān)器件（Q1）提供足夠的散熱措施，降低熱應(yīng)力。
• 電路板邊緣連接器可設(shè)計(jì)為在電路板拔出時(shí)先關(guān)閉LM5067，避免電源電壓突然斷開。
• 如果LM5067的功耗較高，可在封裝下方提供暴露的銅焊盤，并通過多個(gè)過孔連接到電路板另一側(cè)的銅層。

2. 布局示例

文檔中提供了一個(gè)建議的電路板連接器設(shè)計(jì)示例，展示了各組件的布局和連接方式，可作為實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

六、總結(jié)

LM5067負(fù)熱插拔/浪涌電流控制器以其豐富的功能和靈活的可編程特性，為電子設(shè)備的熱插拔和浪涌電流控制提供了可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件參數(shù)，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能對(duì)大家在使用LM5067進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在使用LM5067的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。