深度剖析 TPS212x：雙輸入單輸出電源多路復(fù)用器的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，雙輸入單輸出（DISO）電源多路復(fù)用器扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的 TPS212x 系列電源多路復(fù)用器，包括 TPS2120 和 TPS2121，了解它們的特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tps2120.pdf

1. 產(chǎn)品概述

TPS212x 是一系列雙輸入單輸出（DISO）電源多路復(fù)用器，適用于具有多個(gè)電源的各種系統(tǒng)。這些設(shè)備能夠自動(dòng)檢測、選擇并在可用輸入之間無縫切換，可自動(dòng)優(yōu)先選擇最高輸入電壓，也可手動(dòng)分配給較低電壓輸入，以支持 ORing 和源選擇操作。

1.1 主要特性

• 寬工作范圍：工作電壓范圍為 2.8 V 至 22 V，絕對(duì)最大輸入電壓為 24 V。
• 低導(dǎo)通電阻：TPS2120 的典型導(dǎo)通電阻為 62 mΩ，TPS2121 為 56 mΩ。
• 可調(diào)節(jié)功能：包括過壓監(jiān)控器（OVx）和優(yōu)先級(jí)監(jiān)控器（PR1），精度均小于 ±5%。TPS2121 還支持外部電壓參考（CP2），精度小于 1%。
• 輸出電流限制：TPS2120 的輸出電流限制范圍為 1 A - 3 A，TPS2121 為 1 A - 4.5 A。
• 快速輸出切換：TPS2121 的典型切換時(shí)間為 5 μs。
• 低靜態(tài)電流：啟用輸入時(shí)典型值為 200 μA，禁用輸入時(shí)典型值為 10 μA。
• 手動(dòng)輸入源選擇：支持通過 OVx 進(jìn)行手動(dòng)輸入源選擇。
• 過溫保護(hù)：具備過溫保護(hù)功能，確保設(shè)備在高溫環(huán)境下的可靠性。

1.2 應(yīng)用場景

• 備份和備用電源：在主電源故障時(shí)自動(dòng)切換到備用電源，確保設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。
• 輸入源選擇：根據(jù)不同的電源條件選擇合適的輸入源。
• 多電池管理：管理多個(gè)電池的充電和放電過程。
• EPOS 和條形碼掃描儀：為這些設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 建筑自動(dòng)化和監(jiān)控：確保系統(tǒng)在各種電源條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 跟蹤和遠(yuǎn)程信息處理：為相關(guān)設(shè)備提供可靠的電源支持。

2. 產(chǎn)品詳細(xì)特性分析

2.1 輸入穩(wěn)定時(shí)間和輸出軟啟動(dòng)控制（SS）

TPS212x 會(huì)自動(dòng)選擇第一個(gè)有效的輸入源（INx > UV 且 INx < OV），并使用外部電容（CSS）作為定時(shí)器等待輸入穩(wěn)定。穩(wěn)定時(shí)間結(jié)束后，CSS 繼續(xù)充電以設(shè)置輸出斜率，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。當(dāng)?shù)诙€(gè)輸入源變得有效時(shí)，CSS 會(huì)再次用于第二個(gè)穩(wěn)定時(shí)間，之后設(shè)備會(huì)決定是否切換到第二個(gè)輸入源。

2.2 有源電流限制（ILM）

負(fù)載電流始終受到監(jiān)控，當(dāng)負(fù)載電流超過由 RILM 電阻編程的電流限制觸發(fā)點(diǎn) ILM 時(shí)，設(shè)備會(huì)在 (t{ILM}) 內(nèi)調(diào)節(jié)電流。可使用以下公式計(jì)算所需的 RILM 值： [I{LM}=frac{69.1}{R{LLM}^{0.861}}]（TPS2120） [I{LM}=frac{65.2}{R_{LM}^{0.861}}]（TPS2121）

2.3 短路保護(hù)

在瞬態(tài)短路事件中，設(shè)備內(nèi)置的快速跳閘過流保護(hù)（OCP）比較器會(huì)在電流超過閾值 (I_{OCP})（約為編程電流限制的 2.4 倍）時(shí)，在 1 μs 內(nèi)關(guān)閉通過設(shè)備，并保持內(nèi)部 FET 關(guān)閉約 25 ms，之后設(shè)備會(huì)重新啟動(dòng)。

2.4 熱保護(hù)（TSD）

TPS212x 具有內(nèi)置的絕對(duì)熱關(guān)斷和相對(duì)熱關(guān)斷功能，以確保電源多路復(fù)用器的最大可靠性。絕對(duì)熱關(guān)斷在結(jié)溫超過 160°C（典型值）時(shí)禁用功率 FET，設(shè)備在 (T_{J}<[T(TSD)-10°C]) 約 25 ms 后自動(dòng)恢復(fù)。相對(duì)熱關(guān)斷在功率 FET 溫度急劇上升時(shí)保護(hù)設(shè)備，在 FET 冷卻 20°C 約 25 ms 后自動(dòng)恢復(fù)。

2.5 過壓保護(hù)（OVx）

IN1 和 IN2 均具備輸出過壓保護(hù)功能，OVx 引腳的 VREF 比較器可獨(dú)立調(diào)整每個(gè)輸入的過壓保護(hù)閾值。當(dāng)發(fā)生過壓時(shí)，相應(yīng)通道會(huì)立即關(guān)閉，若另一個(gè)輸入電壓有效，則支持快速切換到該輸入。

2.6 快速反向電流阻斷（RCB）

每個(gè)通道都具有始終開啟的反向電流阻斷功能。如果輸出電壓被強(qiáng)制高于所選輸入 (V{IRCB})，通道會(huì)在 (t{RCB}) 內(nèi)關(guān)閉以阻止反向電流 (I{RCB})。當(dāng)輸出電壓降至 (V{IN}) 的 (V_{RCB}) 范圍內(nèi)時(shí)，所選通道會(huì)迅速重新開啟，以避免快速切換期間不必要的電壓降。

2.7 輸出電壓下降和快速切換控制（TPS2121 專用）

TPS2121 在輸入穩(wěn)定和軟啟動(dòng)時(shí)間后，利用快速切換來最小化輸出電壓下降。切換期間的電壓下降量是輸出負(fù)載電流（IOUT）和負(fù)載電容（COUT）的函數(shù)，可使用以下公式計(jì)算切換期間的最小輸出電壓： [V{OUT,MIN }=V{SW}-V{DIP }] [V{DIP }=t{S W} timesleft(frac{I{OUT }}{C_{OUT }}right)]

2.8 輸入電壓比較器（VCOMP）

如果 PR1 和 CP2 都小于 VREF，設(shè)備會(huì)使用兩個(gè)輸入之間的內(nèi)部比較器來確定優(yōu)先級(jí)源。VCOMP 配置確保在輸入電壓相等時(shí) IN2 優(yōu)先。如果 IN2 低于 VCOMP 滯后，則 IN1 具有優(yōu)先級(jí)。

3. 設(shè)備功能模式

3.1 TPS2120 功能模式

TPS2120 的輸出源選擇取決于輸入電壓、PR1 和 SEL 引腳的狀態(tài)。如果只有一個(gè)輸入電壓有效，則該輸入為輸出供電；如果兩個(gè)輸入都無效，則輸出為高阻態(tài)（Hi-Z）。ST 引腳在輸出為 Hi-Z 或 IN1 時(shí)拉高，在 IN2 為輸出時(shí)拉低。

3.2 TPS2121 功能模式

TPS2121 的功能模式與 TPS2120 類似，但增加了 CP2 引腳。當(dāng) CP2 拉低時(shí)，設(shè)備忽略該引腳；當(dāng) CP2 拉高時(shí)，啟用快速切換，并與 PR1 進(jìn)行比較以確定輸出源。

4. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

4.1 手動(dòng)切換

可通過外部控制器（如 MCU）手動(dòng)選擇兩個(gè)輸入源。在這種模式下，TPS2120 可通過 SEL 引腳覆蓋 PR1/VREF 比較，TPS2121 則通過 CP2 引腳與 PR1 比較來確定輸出源。

4.2 帶優(yōu)先級(jí)的自動(dòng)切換（XCOMP）

適用于需要不間斷電源的應(yīng)用。例如，當(dāng) 12-V 主電源下降到 7.6 V 以下時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換到 5-V 輔助電源。通過配置外部比較器控制方案（XCOMP），比較 PR1 和 CP2 的電壓來確定輸出源。

4.3 帶優(yōu)先級(jí)的自動(dòng)無縫切換（XREF）

用于展示兩個(gè) 12-V 電源的冗余供電。當(dāng)主電源下降時(shí)，設(shè)備會(huì)無縫切換到備用電源。通過連接外部精密調(diào)節(jié)器到 CP2 引腳，以最小化電壓切換誤差，實(shí)現(xiàn)更無縫的切換。

4.4 最高電壓操作（VCOMP）

設(shè)備使用內(nèi)部比較器確定優(yōu)先級(jí)源，當(dāng) PR1 和 CP2 都低于 VREF 時(shí)，優(yōu)先選擇最高輸入電壓。如果兩個(gè)輸入電壓相等，VCOMP 和滯后確保 IN2 優(yōu)先。

4.5 反向極性保護(hù)

通過在 TPS212x 的 GND 引腳連接二極管，可防止反向電流流入設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)免受輸入電源接線錯(cuò)誤的影響。

4.6 熱插拔

在熱插拔事件中，電纜和輸入跡線的固有電感可能導(dǎo)致輸入引腳電壓尖峰，超過設(shè)備的絕對(duì)最大額定值。可使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管來保護(hù)設(shè)備免受電壓瞬變的影響。

5. 電源供應(yīng)建議與布局

5.1 電源供應(yīng)建議

IN1、IN2 和 OUT 跡線應(yīng)足夠?qū)?，以容納通過設(shè)備的電流。這些引腳的旁路電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置，推薦使用具有 X5R 或 X7R 電介質(zhì)的低 ESR 陶瓷電容。為避免輸出電壓下降，可增加 OUT 引腳的電容；如果電源無法處理輸出電容引起的浪涌電流瞬變，可使用更高的輸入電容。

5.2 布局指南

使用短而寬的輸入和輸出平面跡線。對(duì)于高電流應(yīng)用，在輸入和輸出引腳下方放置過孔，以避免電流密度和熱阻瓶頸。

總結(jié)

TPS212x 系列電源多路復(fù)用器以其豐富的特性和靈活的應(yīng)用模式，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的工具。無論是在備份電源、多電池管理還是其他需要電源切換的應(yīng)用中，TPS212x 都能確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇設(shè)備，并注意電源供應(yīng)和布局的優(yōu)化，以充分發(fā)揮 TPS212x 的性能優(yōu)勢。你在使用 TPS212x 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。