TPS2330/TPS2331：?jiǎn)瓮ǖ罒岵灏喂β士刂破鞯淖吭街x

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，熱插拔技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS2330和TPS2331單通道熱插拔控制器，憑借其豐富的功能和出色的性能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這兩款控制器。

文件下載：tps2331.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPS2330和TPS2331是單通道熱插拔控制器，它們使用外部N溝道MOSFET作為電源應(yīng)用中的高端開關(guān)。這些設(shè)備具備過流保護(hù)（OCP）、浪涌電流控制、輸出功率狀態(tài)報(bào)告以及區(qū)分負(fù)載瞬態(tài)和故障的能力，這些特性對(duì)于熱插拔應(yīng)用來說是至關(guān)重要的。

產(chǎn)品特性

1. 單通道高端MOSFET驅(qū)動(dòng)：可提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)能力，確保MOSFET的可靠工作。
2. 輸入電壓范圍廣：3V至13V的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
3. 輸出dV/dt控制：有效限制浪涌電流，保護(hù)設(shè)備免受電流沖擊。
4. 可編程斷路器：具備可編程的過流閾值和瞬態(tài)定時(shí)器，可根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。
5. 電源良好報(bào)告：帶有瞬態(tài)濾波器，能準(zhǔn)確報(bào)告輸出電壓狀態(tài)。
6. 兼容CMOS和TTL：方便與各種數(shù)字電路接口。
7. 低待機(jī)電流：最大5μA的待機(jī)電流，降低功耗。
8. 多種封裝形式：提供14引腳SOIC和TSSOP封裝，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
9. 寬工作溫度范圍：-40°C至85°C的環(huán)境溫度范圍，適應(yīng)惡劣的工作條件。
10. 靜電放電保護(hù)：增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力。

二、引腳功能詳解

1. DISCH

DISCH引腳應(yīng)連接到與GATE相連的外部N溝道MOSFET晶體管的源極。當(dāng)MOSFET晶體管禁用時(shí)，該引腳用于放電負(fù)載，同時(shí)也是內(nèi)部柵極電壓鉗位電路的參考電壓連接。

2. ENABLE

TPS2330的ENABLE為低電平有效，TPS2331的ENABLE為高電平有效。當(dāng)控制器啟用時(shí)，GATE電壓升高以開啟外部MOSFET。當(dāng)TPS2330的ENABLE引腳拉高或TPS2331的ENABLE引腳拉低超過50μs時(shí)，MOSFET的柵極以受控速率放電，同時(shí)啟用一個(gè)晶體管來放電輸出大容量電容。此外，設(shè)備在啟用時(shí)開啟內(nèi)部穩(wěn)壓器PREREG，禁用時(shí)關(guān)閉PREREG，使總電源電流遠(yuǎn)小于5μA。

3. FAULT

FAULT是一個(gè)開漏過流標(biāo)志輸出。當(dāng)過流條件持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使TIMER充電到0.5V時(shí)，設(shè)備鎖存關(guān)閉并將FAULT拉低。要重新開啟設(shè)備，必須切換ENABLE引腳或循環(huán)輸入電源。

4. GATE

GATE連接到外部N溝道MOSFET晶體管的柵極。當(dāng)設(shè)備啟用時(shí)，內(nèi)部電荷泵電路通過提供約15μA的電流將該引腳拉高。開啟轉(zhuǎn)換速率取決于GATE端子的電容。如果需要，可以通過在該引腳和地之間連接電容來進(jìn)一步降低開啟轉(zhuǎn)換速率，這些電容還可以減少浪涌電流并保護(hù)設(shè)備在電源開啟時(shí)免受誤過流觸發(fā)。電荷泵電路在外部MOSFET晶體管上產(chǎn)生9V - 12V的柵源電壓。

5. IN

IN應(yīng)連接到驅(qū)動(dòng)與GATE相連的外部N溝道MOSFET晶體管的電源。TPS2330/31從IN汲取工作電流，直到IN電源建立后才啟用。該設(shè)備支持3V、5V或12V的操作。

6. ISENSE和ISET

ISENSE與ISET結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)GATE的過流檢測(cè)。ISET通過連接到IN的外部電阻設(shè)置產(chǎn)生過流故障的電流大小。內(nèi)部電流源從ISET汲取50μA的電流。通過從IN到ISENSE的感測(cè)電阻（也連接到外部MOSFET的漏極），感測(cè)電阻上的電壓反映負(fù)載電流。如果ISENSE被拉到ISET以下，則認(rèn)為存在過流條件。為確保斷路器正常工作，(I(ISENSE))和(I(ISET))不應(yīng)超過(V_{I(IN)})。

7. PWRGD

PWRGD用于檢測(cè)VSENSE上的欠壓條件。該引腳是開漏輸出，在欠壓條件下被拉低。為了減少電壓軌上瞬態(tài)引起的PWRGD錯(cuò)誤響應(yīng)，電壓檢測(cè)電路包含一個(gè)20μs的去毛刺濾波器。當(dāng)VSENSE低于參考電壓（約1.23V）時(shí)，PWRGD為低電平，指示電源軌電壓存在欠壓條件。當(dāng)設(shè)備禁用時(shí)，PWRGD可能無法正確報(bào)告電源狀態(tài)，因?yàn)樵诮媚Ｊ较翽WRGD輸出晶體管沒有柵極驅(qū)動(dòng)電源，即PWRGD處于浮空狀態(tài)。因此，在禁用模式下，PWRGD被拉高到其上拉電源軌。

8. TIMER

TIMER上的電容設(shè)置功率開關(guān)在過流時(shí)可以持續(xù)的時(shí)間，然后才關(guān)閉。當(dāng)過流保護(hù)電路檢測(cè)到過大電流時(shí)，啟用一個(gè)電流源對(duì)TIMER上的電容充電。一旦TIMER上的電壓達(dá)到約0.5V，斷路器鎖存器設(shè)置，功率開關(guān)鎖存關(guān)閉。必須循環(huán)電源或切換ENABLE引腳才能重啟控制器。在高功率或高溫應(yīng)用中，強(qiáng)烈建議從TIMER到地連接一個(gè)最小50pF的電容，以防止任何誤觸發(fā)。

9. VREG

VREG是內(nèi)部低壓差電壓穩(wěn)壓器的輸出，IN1為輸入。該穩(wěn)壓器用于為設(shè)備生成一個(gè)低于5.5V的穩(wěn)壓電源。應(yīng)在VREG和地之間連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，以幫助抑制噪聲。在這種配置下，禁用設(shè)備時(shí)，內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器也會(huì)禁用，從而切斷內(nèi)部電路的電源，使設(shè)備進(jìn)入低靜態(tài)電流模式。在IN1低于5.5V的應(yīng)用中，VREG和IN1可以連接在一起。然而，在這些條件下，禁用設(shè)備可能不會(huì)使設(shè)備進(jìn)入低靜態(tài)電流模式，因?yàn)閮?nèi)部低壓差電壓穩(wěn)壓器被旁路，從而使內(nèi)部電路保持工作狀態(tài)。如果VREG和IN1連接在一起，并且IN1已經(jīng)有一個(gè)1μF至10μF的旁路電容，則不需要在VREG和地之間連接0.1μF的陶瓷電容。

10. VSENSE

VSENSE可用于檢測(cè)外部電路的欠壓條件。如果VSENSE檢測(cè)到電壓低于約1.23V，PWRGD被拉低。

三、電氣特性

1. 輸入電流

在推薦的工作溫度范圍（-40°C < (T_{A}) < 85°C）內(nèi)，當(dāng)VI(ENABLE) = 5V（TPS2331），VI(ENABLE) = 0V（TPS2330）時(shí)，IN的輸入電流II(IN)為0.5 - 1mA；當(dāng)VI(ENABLE) = 0V（TPS2331），VI(ENABLE) = 5V（TPS2330）時(shí)，待機(jī)電流II(stby)（IN、ISENSE和ISET的電流總和）最大為5μA。

2. 柵極電壓

不同輸入電壓下，柵極電壓VG(GATE)有不同的取值范圍。例如，當(dāng)VI(IN) = 3V時(shí)，VG(GATE_3V)為9 - 11.5V；當(dāng)VI(IN) = 4.5V時(shí)，VG(GATE_4.5V)為10.5 - 14.5V；當(dāng)VI(IN) = 10.8V時(shí)，VG(GATE_10.8V)為16.8 - 21V。

3. 定時(shí)器特性

定時(shí)器的閾值電壓V(TO_TIMER)為0.4 - 0.6V，充電電流為35 - 65μA，放電電流為1 - 2.5mA。

4. 斷路器特性

不同RISET電阻值和溫度條件下，斷路器的閾值電壓VIT(CB)不同。例如，當(dāng)RISET = 1kΩ，TA = 25°C時(shí)，VIT(CB)為40 - 60mV。

四、應(yīng)用信息

1. 輸入電容

在熱插拔板的連接器附近的輸入電源端子上，應(yīng)放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容與一個(gè)1μF的陶瓷電容并聯(lián)，以幫助穩(wěn)定卡上的電壓軌。對(duì)于功率環(huán)境更惡劣的應(yīng)用，建議在熱插拔板的輸入端子附近使用2.2μF或更高的陶瓷電容。IN的旁路電容應(yīng)靠近設(shè)備放置。

2. 輸出電容

每個(gè)負(fù)載建議使用一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，這些電容應(yīng)靠近外部FET和TPS2330/31放置。同時(shí)，建議在負(fù)載上使用一個(gè)較大的大容量電容，其值應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的功率要求和產(chǎn)生的瞬態(tài)來選擇。

3. 外部FET

為了將功率從輸入源傳遞到負(fù)載，控制器需要一個(gè)外部N溝道MOSFET。文檔中列出了一些常用的MOSFET，如IRF7601、MTSF3N03HDR2等，市場(chǎng)上還有許多其他MOSFET也可用于熱插拔系統(tǒng)。

4. 定時(shí)器設(shè)置

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用最小50pF的電容連接在TIMER和地之間，以防止誤觸發(fā)。過流條件會(huì)使一個(gè)50μA的電流源開始對(duì)該電容充電。如果過流條件持續(xù)到電容充電到約0.5V，TPS2330/31將鎖存關(guān)閉晶體管并將FAULT引腳拉低。定時(shí)器電容可以根據(jù)需要增大，以提供額外的時(shí)間延遲，時(shí)間延遲約為：(dt(sec)=C_{(TIMER) }(F) × 10,000(Omega))。

5. 輸出電壓轉(zhuǎn)換速率控制

當(dāng)啟用時(shí)，TPS2330/TPS2331控制器為外部MOSFET晶體管的柵極提供約15μA的電流。MOSFET源極電壓的轉(zhuǎn)換速率受外部MOSFET電容的柵漏電容(C_{gd})限制。如果需要更慢的轉(zhuǎn)換速率，可以在外部MOSFET的柵極和地之間連接額外的電容。

6. VREG電容

連接到VREG的內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器需要一個(gè)外部電容來確保穩(wěn)定性，建議使用0.1μF或0.22μF的陶瓷電容。

7. 柵極驅(qū)動(dòng)電路

TPS2330/TPS2331的每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)端子有四個(gè)獨(dú)立的特性：

• 約15μA的充電電流用于啟用外部MOSFET晶體管，該電流由內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生，可產(chǎn)生9V - 12V的柵源電位（參考DISCH）。
• 約75μA的放電電流用于禁用外部MOSFET晶體管。當(dāng)晶體管柵極電壓降至約1.5V以下時(shí)，該電流禁用，UVLO放電驅(qū)動(dòng)器啟用，使設(shè)備進(jìn)入低電流關(guān)機(jī)模式，同時(shí)確保外部MOSFET晶體管的柵極保持低電壓。
• 在UVLO條件下，MOSFET晶體管的柵極由內(nèi)部PMOS晶體管下拉，即使IN處的電壓為0V，該晶體管仍繼續(xù)工作，有助于在電源突然施加到系統(tǒng)時(shí)保持外部MOSFET晶體管關(guān)閉。
• 在過流故障條件下，出現(xiàn)過流的外部MOSFET晶體管由內(nèi)部下拉電路迅速關(guān)閉，該電路能夠從引腳汲取超過400mA（4V時(shí)）的電流。當(dāng)柵極被拉到約1.5V以下時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器斷開，UVLO驅(qū)動(dòng)器啟用。

8. 設(shè)置電流限制斷路器閾值

電流感測(cè)電阻(R{ISENSE})和電流限制設(shè)置電阻(R{ISET})決定通道的電流限制，可通過以下公式計(jì)算：(I{LMT }=frac{R{ISET } × 50 × 10^{-6}}{R{ISENSE }})。通常(R{ISENSE})非常?。?.001Ω - 0.1Ω）。如果(R{ISENSE})和ISENSE的連接點(diǎn)與(R{ISENSE})和(R{ISET})的連接點(diǎn)之間的走線和焊點(diǎn)電阻大于(R{ISENSE})值的10%，則應(yīng)將這些電阻值添加到上述計(jì)算中使用的(R_{ISENSE})值中。

9. 設(shè)置電源良好閾值電壓

連接在(V{O})和地之間的兩個(gè)反饋電阻(R{VSENSETOP})和(R{VSENSEBOT})形成一個(gè)電阻分壓器，設(shè)置VSENSE引腳的電壓。VSENSE電壓等于：(V{I(SENSE)}=V{O} × R{VSENSETOP} /left(R{VSENSETOP }+R{VSENSEBOT}right))。該電壓與內(nèi)部電壓參考（1.225V ±2%）進(jìn)行比較，以確定輸出電壓水平是否在指定的容差范圍內(nèi)。例如，給定(V{O})的標(biāo)稱輸出電壓，并定義(V_{Omin})為所需的最小輸出電壓，則反饋電阻可通過以下公式定義：(R{VSENSETOP }=frac{V{Omin }-1.225}{1.225} × R{VSENSEBOT })。首先選擇一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)電阻值作為(R{VSENSEBOT})以減少功率損耗，然后將所有已知值代入上述公式計(jì)算(R{VSENSETOP})。當(dāng)(V{O})低于(V_{O_min})時(shí)，只要控制器啟用，PWRGD就為低電平。

10. 欠壓鎖定（UVLO）

TPS2330/TPS2331包括欠壓鎖定（UVLO）功能，用于監(jiān)測(cè)VREG引腳上的電壓。如果VREG上的電壓降至2.78V（標(biāo)稱）以下，該功能將禁用外部MOSFET；當(dāng)電壓升至2.85V（標(biāo)稱）以上時(shí)，重新啟用正常操作。由于VREG通過低壓差電壓穩(wěn)壓器從IN供電，VREG上的電壓與IN上的電壓相差在50mV以內(nèi)。在欠壓鎖定期間，GATE由內(nèi)部PMOS下拉晶體管保持低電平，確保外部MOSFET晶體管在電源降至0V時(shí)仍保持關(guān)閉。

11. 上電控制

TPS2330/TPS2331包括一個(gè)500μs（標(biāo)稱）的啟動(dòng)延遲，確保內(nèi)部電路在設(shè)備開始開啟外部MOSFET之前有足夠的時(shí)間啟動(dòng)。該延遲僅在電源快速施加到電路時(shí)觸發(fā)。如果電源緩慢上升，欠壓鎖定電路可提供足夠的保護(hù)，防止欠壓操作。

五、典型應(yīng)用

1. 典型熱插拔應(yīng)用

在典型的雙熱插拔應(yīng)用中，PWRGD和FAULT的上拉電阻應(yīng)相對(duì)較大（如100kΩ），以減少功率損耗，除非需要驅(qū)動(dòng)大負(fù)載。

2. 三通道熱插拔應(yīng)用

一些應(yīng)用需要對(duì)多達(dá)三個(gè)電壓軌進(jìn)行熱插拔控制，但可能不需要明確檢測(cè)所有三個(gè)電壓軌的輸出功率狀態(tài)。例如，在設(shè)備托架中，需要對(duì)3.3V、5V和12V進(jìn)行dV/dt控制。通過使用TPS2330/TPS2331驅(qū)動(dòng)所有三個(gè)電源軌，可以在監(jiān)測(cè)其中一個(gè)負(fù)載狀態(tài)的同時(shí)，為三個(gè)負(fù)載提供三種不同的電壓。

六、總結(jié)

TPS2330和TPS2331單通道熱插拔控制器以其豐富的功能、出色的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在熱插拔設(shè)計(jì)中提供了可靠的解決方案。無論是在提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性還是降低功耗方面，都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體需求，合理選擇和配置這些控制器，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。你在使用類似熱插拔控制器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。