深度解析LM73100：理想二極管的卓越應(yīng)用與設(shè)計(jì)秘籍

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理與保護(hù)一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LM73100，這是一款高度集成的理想二極管，專為確保系統(tǒng)安全可靠的電源傳輸而設(shè)計(jì)。

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一、LM73100概述

LM73100是一款集成度極高的理想二極管，具備多種保護(hù)功能，能夠有效抵御電壓浪涌、反極性、反向電流和過大的浪涌電流。其工作輸入電壓范圍為2.7V至23V，最大絕對(duì)電壓可達(dá)28V，甚至能承受高達(dá) -15V的負(fù)電壓，為系統(tǒng)提供了廣泛而可靠的電壓保護(hù)。

（一）關(guān)鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.7V至23V的工作電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 低導(dǎo)通電阻：集成背靠背FET，典型導(dǎo)通電阻 (R_{ON}=28.4 mΩ)，降低功率損耗。
3. 理想二極管操作：真正的反向電流阻斷功能，確保電流單向流動(dòng)。
4. 快速過壓保護(hù)：響應(yīng)時(shí)間僅1.2μs（典型值），并可調(diào)節(jié)過壓鎖定（OVLO）閾值。
5. 快速瞬態(tài)過流響應(yīng)：穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)瞬態(tài)過流的響應(yīng)時(shí)間為500ns（典型值），故障后鎖定。
6. 模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)：電流范圍為0.5A至5.5A，精度 ±15%（最大）。
7. 可調(diào)功能：包括欠壓鎖定閾值（UVLO）、輸出壓擺率控制（dVdt）和電源良好指示閾值（PGTH）。
8. 小尺寸封裝：2mm x 2mm的QFN封裝，節(jié)省電路板空間。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

LM73100廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如電源多路復(fù)用/ORing、適配器輸入保護(hù)、機(jī)頂盒、智能音箱、USB PD端口保護(hù)、PC/筆記本電腦/顯示器/擴(kuò)展塢、電動(dòng)工具/充電器以及POS終端等。

二、引腳配置與功能

三、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全運(yùn)行至關(guān)重要。LM73100的輸入電壓最大范圍在不同溫度條件下有所不同，輸出電壓也有相應(yīng)的限制。同時(shí)，各引腳的電壓范圍和最大連續(xù)開關(guān)電流等參數(shù)都有明確規(guī)定。例如，輸入電壓最大為28V，最大連續(xù)開關(guān)電流為5.5A。

（二）ESD額定值

該器件的靜電放電（ESD）額定值為人體模型（HBM）±2000V，充電設(shè)備模型（CDM）±500V，在使用過程中需注意靜電防護(hù)。

（三）推薦工作條件

在推薦的工作條件下，輸入電壓范圍為2.7V至23V，輸出電壓范圍根據(jù)輸入電壓和其他條件確定。各引腳的電壓范圍和連續(xù)開關(guān)電流等參數(shù)也有明確要求，確保器件正常工作。

（四）熱信息

熱性能是評(píng)估器件的重要指標(biāo)之一。LM73100的熱阻和熱特性參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R_{θJA}) 等，為散熱設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在不同的PCB條件下，熱性能會(huì)有所差異，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

（五）電氣特性參數(shù)

詳細(xì)的電氣特性參數(shù)包括輸入電源的欠壓閾值、靜態(tài)電流、導(dǎo)通電阻、使能/欠壓鎖定閾值、過壓鎖定閾值、輸出負(fù)載電流監(jiān)測(cè)增益等。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了重要參考。

四、功能描述

（一）輸入反極性保護(hù)

LM73100內(nèi)部具備輸入反極性保護(hù)功能，能夠有效阻止輸入的負(fù)電壓影響輸出，確保負(fù)載電路的安全。在反向極性條件下，最大可承受 -15V或 (V_{OUT }-21V) 的負(fù)電壓。同時(shí)，建議信號(hào)引腳使用足夠大的上拉電阻，以限制反向極性時(shí)的電流。

（二）欠壓保護(hù)（UVLO & UVP）

通過內(nèi)部固定的欠壓保護(hù)閾值 (VUVP) 和EN/UVLO引腳的UVLO比較器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的欠壓保護(hù)。用戶可以通過電阻分壓器外部調(diào)整欠壓保護(hù)閾值，滿足不同應(yīng)用的需求。

（三）過壓鎖定（OVLO）

OVLO引腳的比較器允許用戶調(diào)節(jié)過壓保護(hù)閾值。當(dāng)OVLO引腳電壓超過上升閾值 (V{OV(R)}) 時(shí)，器件關(guān)閉輸出電源；當(dāng)電壓下降到下降閾值 (V{OV(F)}) 以下時(shí)，輸出電源重新開啟。這種設(shè)計(jì)提供了一定的滯回特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（四）浪涌電流控制和快速跳閘

1. 可調(diào)壓擺率（dVdt）：在熱插拔或啟動(dòng)時(shí)，通過連接電容到dVdt引腳，可以控制輸出壓擺率，降低浪涌電流?？梢愿鶕?jù)公式計(jì)算所需的電容值，以實(shí)現(xiàn)所需的壓擺率。
2. 固定閾值快速跳閘：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)電流超過固定閾值 (I{FT}) 時(shí)，器件會(huì)在 (t{FT}) 時(shí)間內(nèi)完全關(guān)閉HFET，并保持鎖定狀態(tài)，直到電源循環(huán)或重新使能EN/UVLO引腳。

（五）模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)輸出

IMON引腳提供與FET電流成比例的模擬電流感測(cè)輸出，用戶可以通過測(cè)量 (R{IMON}) 兩端的電壓來監(jiān)測(cè)輸出負(fù)載電流。為了確保安全，建議選擇合適的 (R{IMON}) 電阻，并在IMON引腳添加齊納二極管以限制電壓。

（六）反向電流保護(hù)

LM73100像理想二極管一樣工作，通過集成的背靠背MOSFET和閉環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)制，有效阻止反向電流從輸出流向輸入。同時(shí)，采用傳統(tǒng)比較器的反向阻斷機(jī)制，對(duì)瞬態(tài)反向電流提供快速響應(yīng)。

（七）過溫保護(hù)（OTP）

器件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部管芯溫度，當(dāng)溫度超過安全工作水平（TSD）時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉以保護(hù)自身。只有當(dāng)管芯溫度下降到 (TSD - TSD_{HYS}) 以下時(shí)，器件才會(huì)重新開啟。

（八）故障響應(yīng)

LM73100對(duì)不同故障條件有明確的響應(yīng)機(jī)制，如過溫、欠壓、輸入反極性、過壓、反向電流和穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)過流等。部分故障會(huì)內(nèi)部鎖定，需要通過電源循環(huán)或操作EN/UVLO引腳來清除。

（九）電源良好指示（PG）

PG引腳是一個(gè)高電平有效的數(shù)字輸出信號(hào)，用于指示電源狀態(tài)。在電源啟動(dòng)后，PG引腳初始為低電平，當(dāng)涌入序列完成且PGTH引腳電壓超過 (V{PGTH(R)}) 時(shí)，PG引腳在去毛刺時(shí)間 (t{PGA}) 后被置高。在正常運(yùn)行中，當(dāng)PGTH引腳電壓低于 (V{PGTH(F)}) 或檢測(cè)到故障時(shí)，PG引腳會(huì)在去毛刺時(shí)間 (t{PGD}) 后被置低。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）單設(shè)備自控制應(yīng)用

在單設(shè)備自控制應(yīng)用中，LM73100可以獨(dú)立工作，也可以通過主機(jī)MCU控制EN/UVLO或OVLO引腳。IMON引腳可連接到MCU的ADC輸入進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)，PGTH引腳的電阻分壓器可根據(jù)需要選擇 (V{IN}) 或 (V{OUT}) 作為電源。

（二）有源ORing應(yīng)用

在冗余電源配置中，LM73100的線性O(shè)Ring機(jī)制確保在電源快速或緩慢變化時(shí)，不會(huì)有反向電流在電源之間流動(dòng)。多個(gè)LM73100可以實(shí)現(xiàn)電源的并行連接，提供高效的電源解決方案。

（三）優(yōu)先電源多路復(fù)用應(yīng)用

對(duì)于需要優(yōu)先選擇電源的應(yīng)用，如POS終端和便攜式電池供電設(shè)備，LM73100可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先電源的切換。當(dāng)主電源電壓低于用戶定義的欠壓閾值時(shí)，輔助電源自動(dòng)開啟。

（四）USB PD端口保護(hù)應(yīng)用

在USB PD端口保護(hù)中，LM73100可與TPS259470x配合使用，提供過壓保護(hù)和反向電流阻斷功能。PD控制器可以通過OVLO引腳控制電源路徑，滿足快速角色交換（FRS）的時(shí)序要求。

（五）并行操作應(yīng)用

對(duì)于需要更高穩(wěn)態(tài)電流的應(yīng)用，可以將多個(gè)LM73100并聯(lián)使用。第一個(gè)設(shè)備先開啟提供浪涌電流限制，第二個(gè)設(shè)備在第一個(gè)設(shè)備的PG信號(hào)置高后開啟，實(shí)現(xiàn)電流共享。

六、電源供應(yīng)建議與布局

（一）電源供應(yīng)建議

為了確保LM73100的正常工作，建議使用輸入陶瓷旁路電容，特別是當(dāng)輸入電源距離器件較遠(yuǎn)時(shí)。電源的額定電流應(yīng)高于設(shè)定的電流限制，以避免過流和短路時(shí)的電壓下降。同時(shí)，要注意輸入的最大負(fù)電壓限制和信號(hào)引腳的上拉電阻選擇。

（二）瞬態(tài)保護(hù)

在設(shè)備開關(guān)過程中，輸入和輸出電感會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，可能超過器件的絕對(duì)最大額定值。為了應(yīng)對(duì)這些瞬態(tài)問題，可以采取多種措施，如減少引線長(zhǎng)度和電感、使用大的PCB接地平面、連接肖特基二極管和低ESR電容等。在某些情況下，還需要添加瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

（三）布局指南

合理的布局對(duì)于器件的性能至關(guān)重要。建議在IN和GND之間使用0.1μF或更大的陶瓷去耦電容，并將其放置在離器件最近的位置。高電流的電源路徑連接應(yīng)盡可能短，GND引腳應(yīng)與PCB接地平面短連接。同時(shí)，要注意支持組件的放置和布線，以及保護(hù)器件的位置和布線。

七、總結(jié)

LM73100是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的理想二極管，為電源管理和保護(hù)提供了全面的解決方案。其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使其成為電子工程師在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇器件參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和布局，以確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。你在使用LM73100或其他類似器件時(shí)，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。