深入解析TPS2320/TPS2321雙路熱插拔電源控制器

在電子設備的設計中，熱插拔功能是一項非常重要的特性，它允許在系統運行時插入或移除設備，而不會對系統造成損害。德州儀器（TI）的TPS2320和TPS2321雙路熱插拔控制器，為熱插拔應用提供了強大而可靠的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這兩款控制器。

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產品概述

TPS2320和TPS2321是雙路熱插拔控制器，在電源應用中使用外部N溝道MOSFET作為高端開關。它們具備過流保護（OCP）、浪涌電流控制以及區(qū)分負載瞬態(tài)和故障的能力，這些特性對于熱插拔應用來說至關重要。

產品特性

1. 雙路通道高端MOSFET驅動器：IN1輸入電壓范圍為3V至13V，IN2輸入電壓范圍為3V至5.5V。
2. 輸出dV/dt控制：可限制浪涌電流，保護設備免受過大電流沖擊。
3. 獨立斷路器：具有可編程過流閾值和瞬態(tài)定時器，能有效應對各種過流情況。
4. 兼容CMOS和TTL的使能輸入：方便與其他電路進行接口。
5. 低待機電流：最大僅5μA，降低功耗。
6. 多種封裝形式：提供16引腳SOIC和TSSOP封裝，滿足不同應用需求。
7. 寬工作溫度范圍：-40°C至85°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
8. 靜電放電保護：增強設備的可靠性和穩(wěn)定性。

引腳功能詳解

電源與接地引腳

• AGND（6腳）：模擬地，應盡可能靠近DGND連接。
• DGND（3腳）：數字地。
• VREG（5腳）：內部低壓差穩(wěn)壓器的輸出，連接旁路電容以確保穩(wěn)定運行。當IN1小于5.5V時，VREG和IN1可連接在一起，但此時禁用設備不會進入低靜態(tài)電流模式。

使能與故障引腳

• ENABLE（14腳）：TPS2320為低電平有效，TPS2321為高電平有效。使能時，GATE1和GATE2電壓上升以開啟外部MOSFET；禁用時，MOSFET柵極以受控速率放電，同時關閉內部穩(wěn)壓器，使總電源電流遠小于5μA。
• FAULT（13腳）：開漏過流標志輸出。當任一通道出現過流情況且持續(xù)時間足夠長，使TIMER充電至0.5V時，過流通道鎖存關閉，FAULT引腳拉低。

柵極驅動引腳

• GATE1（1腳）和GATE2（2腳）：連接到外部N溝道MOSFET的柵極。使能時，內部電荷泵電路通過向每個引腳提供約15μA的電流來拉高引腳電壓。開啟轉換速率取決于GATE1和GATE2端子的電容，可通過連接電容到地來進一步降低轉換速率，減少浪涌電流并防止上電時誤觸發(fā)過流保護。

電流檢測與設置引腳

• ISENSE1（8腳）和ISENSE2（7腳）：與ISET1和ISET2配合，實現對GATE1和GATE2的過流檢測。
• ISET1（12腳）和ISET2（11腳）：通過連接到IN1和IN2的外部電阻設置產生過流故障的電流大小。

定時器引腳

• TIMER（4腳）：連接電容可設置電源開關在過流情況下關閉前的時間。過流保護電路檢測到過大電流時，電流源對電容充電，當電壓達到約0.5V時，斷路器鎖存，電源開關關閉。在高功率或高溫應用中，建議從TIMER到地連接至少50pF的電容，以防止誤觸發(fā)。

放電引腳

• DISCH1（16腳）和DISCH2（15腳）：分別連接到與GATE1和GATE2相連的外部N溝道MOSFET的源極。當MOSFET禁用時，這些引腳對負載放電，并作為內部柵極電壓鉗位電路的參考電壓連接。

電氣特性

輸入電流

• IN1輸入電流在VI(ENABLE) = 5V（TPS2321）時為0.5 - 1mA。
• IN2輸入電流在VI(ENABLE) = 0V（TPS2320）時為75 - 200μA。
• 待機電流（IN1、IN2、ISENSE1、ISENSE2、ISET1和ISET2的電流總和）在VI(ENABLE) = 0V（TPS2321）或VI(ENABLE) = 5V（TPS2320）時最大為5μA。

柵極電壓與電流

• GATE1和GATE2的柵極電壓在不同輸入電壓下有相應的取值范圍，如VI(IN1) = 3V時，VG(GATE1_3V)為9 - 11.5V。
• 柵極源電流和灌電流也有明確的參數范圍，以確保MOSFET的正常驅動。

定時器特性

• TIMER的閾值電壓為0.4 - 0.6V，充電電流為35 - 65μA，放電電流為1 - 2.5mA。

斷路器特性

• 斷路器的閾值電壓與ISETx電阻和溫度有關，不同條件下有不同的取值。
• 比較器輸入到柵極輸出的傳播延遲時間在特定條件下為1.3μs。

使能特性

• 使能引腳的高低電平輸入電壓、輸入上拉或下拉電阻以及開啟和關閉延遲時間都有明確的參數。

應用設計要點

輸入電容

在熱插拔板連接器附近的輸入電源端子上，應放置一個0.1μF陶瓷電容與一個1μF陶瓷電容并聯，以幫助穩(wěn)定卡上的電壓軌。對于電源環(huán)境更惡劣的應用，建議在熱插拔板輸入端子附近使用2.2μF或更高的陶瓷電容。同時，IN1和IN2的旁路電容應靠近設備放置。

輸出電容

每個負載建議使用一個0.1μF陶瓷電容，這些電容應靠近外部FET和TPS2320/21放置。此外，負載上還建議使用一個較大的大容量電容，其值應根據應用的功率要求和瞬態(tài)情況進行選擇。

外部FET

每個通道需要一個外部N溝道MOSFET來將輸入電源的功率傳輸到負載。市場上有多種MOSFET可供選擇，如IRF7601、MTSF3N03HDR2等，可根據具體應用需求進行選型。

定時器設置

為防止誤觸發(fā)，大多數應用建議使用至少50pF的電容連接在TIMER和地之間。過流情況會使50μA電流源對該電容充電，當電容充電至約0.5V時，TPS2320/TPS2321鎖存關閉有問題的通道并拉低FAULT引腳。定時器電容可根據需要增大，以提供額外的時間延遲。

輸出電壓轉換速率控制

TPS2320/TPS2321控制器使能時，向每個外部MOSFET晶體管的柵極提供約15μA的電流。MOSFET源電壓的轉換速率受外部MOSFET的柵漏電容Cgd限制。如果需要更慢的轉換速率，可在外部MOSFET的柵極和地之間連接額外的電容。

設置電流限制斷路器閾值

以通道1為例，電流檢測電阻RISENSE1和電流限制設置電阻RISET1決定通道的電流限制，可通過公式(I{LMT 1}=frac{R{ISET 1} × 50 × 10^{-6}}{R_{ISENSE1 }})計算。通常RISENSE1非常?。?.001Ω - 0.1Ω），若ISENSE和ISENSE1與ISET1之間的走線和焊點電阻大于RISENSE1值的10%，則應將這些電阻值加入計算。該計算方法同樣適用于通道2。

欠壓鎖定（UVLO）

TPS2320/TPS2321具有欠壓鎖定功能，監(jiān)測VREG引腳的電壓。當VREG電壓低于2.78V（標稱值）時，禁用兩個外部MOSFET；當電壓高于2.85V（標稱值）時，重新啟用正常操作。在欠壓鎖定期間，內部PMOS下拉晶體管將GATE1和GATE2保持低電平，確保外部MOSFET始終關閉。

單通道操作

對于只需要一個外部MOS晶體管的應用，可使用GATE1及其相關電路（IN1、ISENSE1、ISET1、DISCH1），并將IN2引腳接地以禁用與GATE2相關的電路。

上電控制

TPS2320/TPS2321包含一個500μs（標稱值）的啟動延遲，確保內部電路有足夠時間啟動后再開啟外部MOSFET。該延遲僅在電路快速上電時觸發(fā)，若電源緩慢上升，欠壓鎖定電路將提供足夠的欠壓保護。

三通道熱插拔應用

對于需要對多達三個電壓軌進行熱插拔控制的應用，可使用通道2驅動3.3V和5V電源軌，通道1驅動12V電源軌，從而實現向三個負載提供三種不同電壓，同時監(jiān)測其中兩個負載的狀態(tài)。

總結

TPS2320和TPS2321雙路熱插拔控制器為熱插拔應用提供了全面而可靠的解決方案。通過合理的設計和應用，能夠有效保護設備免受浪涌電流和過流故障的影響，提高系統的穩(wěn)定性和可靠性。在實際設計中，工程師們需要根據具體應用需求，合理選擇外部元件，如MOSFET、電容和電阻等，以確保控制器的性能得到充分發(fā)揮。同時，對引腳功能和電氣特性的深入理解，有助于優(yōu)化電路設計，避免潛在的問題。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。