LTC4417 Prioritized PowerPath? Controller：多電源管理的理想選擇

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，多電源輸入的管理是一個(gè)常見且關(guān)鍵的問題。不同電源的優(yōu)先級(jí)分配、防止反向和交叉導(dǎo)通、快速切換以減少輸出電壓降等，都是需要考慮的因素。今天，我們就來詳細(xì)探討一下凌力爾特（現(xiàn)屬ADI）的LTC4417 Prioritized PowerPath? 控制器，看看它是如何解決這些問題的。

文件下載：LTC4417.pdf

一、特性亮點(diǎn)

1. 多電源優(yōu)先級(jí)選擇

LTC4417能夠從三個(gè)輸入中選擇最高優(yōu)先級(jí)的電源，通過引腳分配定義優(yōu)先級(jí)，V1優(yōu)先級(jí)最高，V3最低。當(dāng)一個(gè)電源的電壓連續(xù)至少256ms處于其過壓（OV）和欠壓（UV）窗口內(nèi)時(shí)，該電源被認(rèn)為是有效的。如果最高優(yōu)先級(jí)的有效輸入超出了OV/UV窗口，該通道將立即斷開，下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的有效輸入將連接到公共輸出。

2. 防止反向和交叉導(dǎo)通

芯片內(nèi)置了快速無重疊開關(guān)電路，可防止反向和交叉導(dǎo)通，同時(shí)將輸出電壓降降至最低。在通道切換過程中，監(jiān)測(cè)電路使用先斷后合的架構(gòu)，防止輸入通道之間的交叉導(dǎo)通和從輸出到輸入的反向?qū)ā?/p>

3. 寬工作電壓范圍

其工作電壓范圍為2.5V至36V，并且具有–42V的反向電池連接保護(hù)，適用于多種不同電壓的電源輸入情況。

4. 低功耗設(shè)計(jì)

工作電流僅為28μA，從低于 (V_{OUT }) 的電源吸取的電流小于1μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。

5. 過壓/欠壓保護(hù)

具有1.5%的輸入過壓/欠壓保護(hù)，并且過壓/欠壓遲滯可調(diào)，可通過HYS引腳進(jìn)行設(shè)置。

6. 門極保護(hù)和級(jí)聯(lián)功能

P - 通道MOSFET門極保護(hù)鉗位可保護(hù)外部MOSFET，同時(shí)該芯片還支持級(jí)聯(lián)，可用于更多輸入電源的切換。

7. 封裝形式

提供24引腳窄體SSOP和4mm × 4mm QFN封裝，方便不同的PCB設(shè)計(jì)需求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 工業(yè)手持儀器

在工業(yè)手持儀器中，通常會(huì)有多種電源輸入，如電池、外部電源適配器等。LTC4417可以根據(jù)不同電源的可用性和優(yōu)先級(jí)進(jìn)行自動(dòng)切換，確保儀器的穩(wěn)定供電。

2. 高可用性系統(tǒng)

高可用性系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定性要求極高，LTC4417的快速切換和反向保護(hù)功能可以有效避免電源切換過程中的電壓波動(dòng)和反向電流問題，提高系統(tǒng)的可靠性。

3. 電池備份系統(tǒng)

在電池備份系統(tǒng)中，當(dāng)主電源出現(xiàn)故障時(shí)，LTC4417可以迅速將負(fù)載切換到備份電池上，保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。

4. 服務(wù)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)

服務(wù)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)通常需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，LTC4417可以對(duì)多個(gè)電源進(jìn)行管理，提高電源的利用效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

三、工作原理

1. 電源選擇與監(jiān)測(cè)

LTC4417通過其OV1、OV2、OV3和UV1、UV2、UV3引腳，使用精密的過壓和欠壓比較器，持續(xù)監(jiān)測(cè)V1、V2和V3的電壓。當(dāng)某一輸入電源的電壓在其相應(yīng)的OV/UV窗口內(nèi)連續(xù)至少256ms時(shí)，該電源被認(rèn)為是有效的，并通過外部背對(duì)背P - 通道MOSFET連接到 (V_{OUT }) 。VALID1、VALID2和VALID3引腳會(huì)拉低，以指示V1、V2和V3輸入電源是否有效。

2. 遲滯調(diào)節(jié)

OV和UV閾值的遲滯是可調(diào)的。通過在HYS引腳和地之間連接一個(gè)電阻 (R_{HYS}) ，可以設(shè)置流過OV1、OV2和OV3以及流入U(xiǎn)V1、UV2和UV3的電流，從而產(chǎn)生遲滯。將HYS引腳接地，則將OV和UV比較器的遲滯設(shè)置為30mV。

3. 防止反向和交叉導(dǎo)通的機(jī)制

在通道切換時(shí)，VGS比較器會(huì)監(jiān)測(cè)斷開通道的門極引腳電壓（G1、G2或G3），當(dāng)門極電壓與其公共源極連接（VS1、VS2或VS3）相差350mV時(shí)，VGS比較器會(huì)鎖存輸出，指示該通道已關(guān)閉，允許下一個(gè)有效優(yōu)先級(jí)的輸入電源連接到 (V{OUT }) ，防止通道之間的交叉導(dǎo)通。REV比較器會(huì)監(jiān)測(cè)連接的輸入電源（V1、V2或V3）和輸出電壓 (V{OUT }) ，在輸出電壓下降到比輸入電壓低120mV的反向電流阻斷閾值之前，延遲連接，防止反向?qū)ā?/p>

4. 門極驅(qū)動(dòng)

LTC4417的門極驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)強(qiáng)P - 通道源極跟隨器和一個(gè)2μA電流源下拉G1、G2和G3。當(dāng)達(dá)到鉗位電壓時(shí)，P - 通道源極跟隨器被反向偏置，僅由2μA電流源將G1、G2和G3保持在鉗位電壓。為了在啟動(dòng)時(shí)最小化浪涌電流，門極驅(qū)動(dòng)器會(huì)以約5V/ms的速率軟啟動(dòng)第一個(gè)連接到 (V_{OUT }) 的輸入電源，當(dāng)任何通道斷開或32ms過去后，斜率控制終止，門極驅(qū)動(dòng)器根據(jù)需要快速打開和關(guān)閉外部背對(duì)背P - 通道MOSFET。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 定義工作范圍

為了防止實(shí)時(shí)插入時(shí)的噪聲和瞬態(tài)電壓事件，LTC4417要求輸入電源在OV/UV窗口內(nèi)至少保持256ms才被認(rèn)為是有效的。通過連接從輸入電源到地的電阻分壓器（如V1輸入電源的R1、R2和R3）來設(shè)置每個(gè)輸入電源的OV/UV窗口。在設(shè)置OV和UV輸入電源閾值的電阻分壓器值時(shí)，需要考慮輸入電源的容差、OV和UV比較器的1.5%誤差、電阻的容差以及OV/UV引腳最大±20nA的泄漏電流。此外，遲滯會(huì)減小有效輸入電源的工作范圍，輸入電源需要在減小后的工作范圍內(nèi)才能驗(yàn)證有效。

2. 濾波

LTC4417提供8μs的OV/UV故障濾波時(shí)間。如果這個(gè)時(shí)間不夠，可以在OV或UV引腳與地之間添加濾波電容，以延長(zhǎng)故障濾波時(shí)間并應(yīng)對(duì)瞬態(tài)事件。

3. 優(yōu)先級(jí)重新分配

可以通過人為創(chuàng)建UV故障來手動(dòng)斷開已連接的輸入電源。例如，當(dāng)N - 通道MOSFET導(dǎo)通時(shí)，將UV1引腳拉低至1V以下，LTC4417會(huì)斷開V1并連接下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的有效電源。在選擇外部N - 通道MOSFET時(shí)，需要考慮漏極泄漏電流，并通過調(diào)整電阻分壓器來消耗更多電流，以設(shè)置合適的UV和OV閾值。

4. 外部P - 通道MOSFET的選擇

選擇外部P - 通道MOSFET時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)包括導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)}) 、絕對(duì)最大額定漏源擊穿電壓 (BV{DSS(MAX)}) 、閾值電壓 (V{GS(TH)}) 、功耗和安全工作區(qū)（SOA）。可以根據(jù)應(yīng)用的最大負(fù)載電流和期望的最大電壓降來確定所需的 (R{DS(ON)}) ，并選擇邏輯電平或更低閾值的外部MOSFET，以確保有足夠的過驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，要確保所選MOSFET的 (BV_{DSS(MAX)}) 額定值高于應(yīng)用中的實(shí)際電壓，并且在軟啟動(dòng)過程中的最大瞬時(shí)功率在制造商的SOA曲線范圍內(nèi)。

5. 反向電壓保護(hù)

LTC4417設(shè)計(jì)用于承受高達(dá) - 84V的反向電壓。選擇具有足夠 (BV{DSS(MAX)}) 額定值的背對(duì)背P - 通道MOSFET，以處理 (V{OUT }) 與V1、V2或V3之間的任何預(yù)期反向電壓。確保連接到反向保護(hù)輸入（V1、V2和V3）的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是雙向的，并且輸入電容的額定電壓適用于負(fù)電壓。

6. 反向電流阻斷

在從較高電壓通道切換到較低電壓通道時(shí)，REV比較器會(huì)驗(yàn)證 (V{OUT }) 電壓比連接通道的電壓低120mV，然后才允許新通道連接到 (V{OUT }) ，從而確保切換過程中幾乎沒有反向?qū)ā?/p>

7. (V_{OUT}) 電容的選擇

為了確保輸出電壓的下降最小，選擇具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容，其大小應(yīng)足以在通道切換的死區(qū)時(shí)間內(nèi)維持輸出電壓?？梢愿鶕?jù)最大負(fù)載電流、允許的最大輸出電壓降、通道切換時(shí)間和OV/UV比較器延遲來計(jì)算所需的負(fù)載電容值。

8. 浪涌電流和輸入電壓降的處理

在將 (V_{OUT}) 的控制權(quán)從較低電壓電源切換到較高電壓電源時(shí)，較高電壓電源可能會(huì)因快速連接到低ESR的較低電壓輸出大容量電容而產(chǎn)生較大的浪涌電流，導(dǎo)致顯著的電壓降，甚至觸發(fā)UV故障?？梢酝ㄟ^選擇足夠大的輸入旁路電容來提供所需的浪涌電流，或者通過使用電阻、電容和肖特基二極管對(duì)門極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行配置，以對(duì)輸出進(jìn)行斜率限制，從而限制浪涌電流。

9. 瞬態(tài)電源保護(hù)

LTC4417由于OV或UV故障而突然切換時(shí)，可能會(huì)在電感性輸入電源中產(chǎn)生較大的瞬態(tài)過電壓事件。為了最小化電感電壓尖峰，可以使用更寬和/或更厚的走線鍍層，添加緩沖電路來抑制輸入電壓尖峰，并在輸入處使用瞬態(tài)電壓抑制器來鉗位電壓。

10. 輸入電源和 (V_{OUT}) 短路保護(hù)

輸入短路可能會(huì)導(dǎo)致高電流斜率，與輸入和輸出路徑中的串聯(lián)寄生電感結(jié)合，可能會(huì)在輸入和輸出引腳處產(chǎn)生潛在的破壞性瞬態(tài)。為了防止LTC4417和相關(guān)設(shè)備在輸入或輸出短路時(shí)受到損壞，需要使用單向或雙向TVS保護(hù)輸入引腳（V1、V2和V3），并使用單向TVS保護(hù) (V_{OUT}) 。同時(shí)，在輸入和輸出之間添加0.1μF至10μF的電容，并結(jié)合有意或寄生的串聯(lián)電阻，有助于抑制電壓尖峰。

11. 級(jí)聯(lián)應(yīng)用

LTC4417可以級(jí)聯(lián)以對(duì)四個(gè)或更多輸入電源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。為了對(duì)四到六個(gè)電源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，可以使用兩個(gè)LTC4417，將它們的 (V_{OUT}) 引腳連接在一起，并將主LTC4417的CAS連接到從LTC4417的EN。在級(jí)聯(lián)應(yīng)用中，需要注意CAS和EN之間的連接應(yīng)盡可能短，以最小化電容，從而減小從通道的關(guān)斷延遲。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例

以一個(gè)2A的多輸入電源系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由一個(gè)具有20mΩ源電阻的12V電源、7.4V主鋰離子電池和備用7.4V鋰離子電池組成，優(yōu)先從12V電源獲取電源。在設(shè)計(jì)過程中，首先選擇了合適的2A額定P - 通道MOSFET IRF7324，其 (R{DS(ON)}) 為18mΩ ， (BV{DSS}) 為 - 20V 。由于連接較高電壓源到較低電壓輸出時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，因此需要進(jìn)行浪涌電流限制。通過計(jì)算和迭代過程，確定了負(fù)載電容 (C{L}) 和浪涌電流限制電路的組件值 (R{S}) 和 (C_{S}) 。同時(shí)，還需要設(shè)置合適的工作范圍，考慮輸入電源的容差、比較器的誤差和電阻的容差，使用外部遲滯電流設(shè)置200mV的UV遲滯。在布局方面，要注意保持高電流走線短，選擇合適的走線寬度，將OV/UV電阻分壓器靠近LTC4417放置，將瞬態(tài)電壓抑制器靠近輸入連接器放置。

六、總結(jié)

LTC4417 Prioritized PowerPath? 控制器為多電源輸入的電子系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的電源管理解決方案。它具有豐富的特性和功能，能夠滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，合理選擇外部組件，注意布局和布線，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文對(duì)電子工程師在使用LTC4417進(jìn)行電源管理設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似的電源管理問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。