TPS23525：-48V熱插拔與雙ORing控制器的深度解析

在電信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，熱插拔控制器起著關(guān)鍵作用，它能確保系統(tǒng)在帶電狀態(tài)下安全地插入或拔出模塊，同時(shí)保護(hù)系統(tǒng)免受各種故障的影響。今天我們就來(lái)詳細(xì)探討德州儀器（TI）的TPS23525 -48V熱插拔與雙ORing控制器。

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一、產(chǎn)品概述

TPS23525是一款集成式熱插拔和雙ORing控制器，專(zhuān)為滿(mǎn)足高功率電信系統(tǒng)嚴(yán)格的瞬態(tài)要求而設(shè)計(jì)。其200V的絕對(duì)最大額定值使其在雷擊浪涌測(cè)試（IEC61000 - 4 - 5）中表現(xiàn)出色，軟啟動(dòng)電容斷開(kāi)功能可限制浪涌電流，允許使用更小的熱插拔FET，同時(shí)不影響瞬態(tài)響應(yīng)。400μA的源電流有助于快速恢復(fù)，避免系統(tǒng)在雷擊浪涌測(cè)試中復(fù)位。雙電流限制功能則使系統(tǒng)更容易通過(guò)諸如ATIS 0600315.2013等標(biāo)準(zhǔn)要求的欠壓和輸入階躍測(cè)試。此外，它還提供了精確的欠壓和過(guò)壓保護(hù)，閾值和遲滯均可編程。

二、產(chǎn)品特性

（一）寬電壓范圍

支持 -10V至 -80V的直流工作電壓，絕對(duì)最大電壓可達(dá) -200V，適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境。

（二）軟啟動(dòng)電容斷開(kāi)

在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，正常運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)軟啟動(dòng)電容，減少浪涌電流，保護(hù)電路元件。

（三）雙電流限制

基于 (V{DS}) 實(shí)現(xiàn)雙電流限制，低 (V{DS}) 時(shí)為25mV ± 4%，高 (V_{DS}) 時(shí)為3mV ± 25%，有效應(yīng)對(duì)不同工作狀態(tài)下的電流需求。

（四）可編程保護(hù)

可編程的欠壓（±1.5%）、過(guò)壓（±2%）保護(hù)以及遲滯（±11%），為系統(tǒng)提供靈活的保護(hù)機(jī)制。

（五）集成雙ORing控制器

調(diào)節(jié)精度為25mV ± 15mV，快速關(guān)斷電壓為 -6mV ± 4mV，確保系統(tǒng)在冗余電源供電時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（六）重試功能

超時(shí)后自動(dòng)重試，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（七）封裝形式

采用16引腳TSSOP封裝，便于PCB布局和焊接。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS23525廣泛應(yīng)用于各種電信設(shè)備中，如遠(yuǎn)程無(wú)線電單元、基帶單元、路由器和交換機(jī)、小型蜂窩基站以及 -48V電信基礎(chǔ)設(shè)施等。

四、詳細(xì)特性分析

（一）電流限制

TPS23525采用雙電流限制閾值 (CL1) 和 (CL2)，分別適用于低 (V{DS}) 和高 (V{DS}) 情況。這種雙級(jí)保護(hù)方案提高了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓階躍和瞬態(tài)的能力，同時(shí)在啟動(dòng)短路和熱短路事件中保護(hù)MOSFET。

• 編程CL切換閾值：通過(guò)連接從熱插拔FET的漏極到TPS23525的D引腳的電阻，可以計(jì)算 (V{DS}) 閾值，公式為 (V{DS,SW }=frac{1.5 V timesleft(30 k Omega+R_{D}right)}{30 k Q})。
• 編程CL1和CL2： (I{CL 1}=frac{V{SNS, CL 1}}{R{SNS}})， (I{CL 2}=frac{V{SNS, CL 2}}{R{SNS}})，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置電流限制。
• 快速比較器：為了應(yīng)對(duì)輸出熱短路等嚴(yán)重過(guò)流事件，采用快速比較器，在過(guò)流時(shí)迅速拉低柵極電壓。

（二）軟啟動(dòng)斷開(kāi)

通過(guò)在SS引腳和熱插拔MOSFET的漏極之間連接電容，可以限制涌入輸出電容的電流。TPS23525在柵極引腳和SS引腳之間設(shè)置了斷開(kāi)開(kāi)關(guān)和放電電阻，避免了傳統(tǒng)熱插拔設(shè)計(jì)中 (C_{SS}) 電容對(duì)正常運(yùn)行的干擾。

（三）定時(shí)器

定時(shí)器是熱插拔中的關(guān)鍵特性，用于管理MOSFET的應(yīng)力水平。根據(jù)不同的工作狀態(tài)，定時(shí)器會(huì)向定時(shí)器電容源出或吸收電流。當(dāng) (V{TMR}) 達(dá)到特定電壓時(shí)，熱插拔會(huì)超時(shí)并關(guān)閉。超時(shí)后會(huì)有冷卻期，定時(shí)器會(huì)進(jìn)行多次充放電循環(huán)，然后嘗試重新啟動(dòng)。時(shí)間超時(shí) (T{TO}) 可根據(jù) (V{DS}) 和 (I{TMR,SRRS}) 計(jì)算。

（四）ORing功能

TPS23525集成了雙ORing控制器，可控制外部MOSFET以模擬理想二極管。通過(guò)控制MOSFET的 (V_{GS})，將ORing FET兩端的正向壓降調(diào)節(jié)到25mV。同時(shí)，為了快速響應(yīng)反向電流，還配備了快速比較器。

五、設(shè)備功能模式

TPS23525具有四種不同的運(yùn)行狀態(tài)：OFF、插入延遲、啟動(dòng)和正常運(yùn)行。控制器根據(jù)輸入電壓范圍、定時(shí)器信號(hào)、插入延遲完成信號(hào)、快速跳閘信號(hào)和內(nèi)部電源良好信號(hào)等進(jìn)行狀態(tài)切換。

（一）OFF狀態(tài)

熱插拔FET關(guān)閉，控制器等待啟動(dòng)?？赡艿脑虬ㄝ斎腚妷翰辉谟行Х秶鷥?nèi)、熱插拔處于冷卻狀態(tài)或VCC低于UVLO閾值。

（二）插入延遲狀態(tài)

熱插拔FET關(guān)閉，控制器等待插入延遲結(jié)束。在此期間，如果輸入電壓異?；騐CC不足，控制器將返回OFF狀態(tài)。插入延遲結(jié)束后，進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。

（三）啟動(dòng)狀態(tài)

控制器開(kāi)啟并對(duì)輸出電容充電。SS引腳與柵極引腳連接以控制輸出dv/dt，采用較低的柵極源電流和電流限制設(shè)置，以減少故障時(shí)MOSFET的應(yīng)力。如果出現(xiàn)輸入電壓異常、定時(shí)器超時(shí)、VCC不足或快速跳閘等情況，控制器將返回OFF狀態(tài)。當(dāng)PG_degl信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

（四）正常運(yùn)行狀態(tài)

熱插拔完全開(kāi)啟，SS引腳與柵極引腳斷開(kāi)連接，以提高瞬態(tài)響應(yīng)。采用與D引腳相關(guān)的電流限制和快速跳閘閾值，保護(hù)MOSFET。如果PG_degl信號(hào)變低、定時(shí)器超時(shí)或VCC不足，控制器將返回OFF狀態(tài)。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

在設(shè)計(jì) -48V熱插拔電路時(shí)，需要考慮啟動(dòng)、輸出熱短路、啟動(dòng)到短路、輸入雷擊浪涌等關(guān)鍵場(chǎng)景。這些場(chǎng)景會(huì)對(duì)熱插拔MOSFET造成較大應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保MOSFET在所有條件下都處于安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi)。TI推薦使用產(chǎn)品頁(yè)面上提供的TPS2352X設(shè)計(jì)計(jì)算器來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

（二）典型應(yīng)用

以一個(gè) -38V至 -60V、400W保護(hù)電路為例，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)步驟：

1. 選擇 (R_{SNS})：根據(jù)最大負(fù)載電流和目標(biāo)電流限制計(jì)算 (R_{SNS})，為系統(tǒng)提供一定的余量。
2. 選擇軟啟動(dòng)設(shè)置：通過(guò)計(jì)算確定 (C{SS}) 和 (C{SS, VEE}) 的值，以限制涌入電流和提高抗干擾能力。同時(shí)，計(jì)算啟動(dòng)時(shí)間。
3. 選擇 (V_{DS}) 切換閾值：根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置 (R_{D})，以調(diào)整電流限制的切換閾值。
4. 定時(shí)器選擇：根據(jù)系統(tǒng)對(duì)電壓階躍和瞬態(tài)的要求，選擇合適的 (C_{TMR})，以確定熱插拔在電流限制下的超時(shí)時(shí)間。
5. MOSFET選擇和SOA檢查：選擇具有合適 (V{DS}) 額定值、 (R{DSON}) 和安全工作區(qū)域的MOSFET，并根據(jù)應(yīng)用中的最大殼溫對(duì)其SOA進(jìn)行降額處理，確保MOSFET在各種應(yīng)力場(chǎng)景下都能正常工作。
6. 輸入電容、輸入TVS和ORing FET選擇：根據(jù)系統(tǒng)的雷擊浪涌要求，選擇合適的輸入電容、TVS和ORing FET，以保護(hù)電路免受雷擊損壞。
7. EMI濾波器考慮：在熱插拔后使用EMI濾波器時(shí)，需要考慮其電感對(duì)電路的影響，添加續(xù)流二極管和緩沖器以處理短路時(shí)電感中的電流。
8. 欠壓和過(guò)壓設(shè)置：通過(guò)編程設(shè)置欠壓和過(guò)壓保護(hù)的閾值和遲滯，添加濾波電容以提高抗干擾能力。
9. 選擇 (R{VCC}) 和 (C{VCC}): 為確保VCC內(nèi)部電源軌的穩(wěn)定性和合理的上電時(shí)間，選擇合適的 (R{VCC}) 和 (C{VCC})。
10. 電源良好接口到下游DC/DC：通過(guò)PGb引腳控制下游DC/DC轉(zhuǎn)換器，確保在熱插拔對(duì)大容量電容充電時(shí)，下游轉(zhuǎn)換器保持關(guān)閉狀態(tài)。

七、電源供應(yīng)建議

為確保TPS23525在非理想 -48V總線環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，建議進(jìn)行以下操作：

1. 對(duì)系統(tǒng)中可能遇到的各種瞬態(tài)進(jìn)行測(cè)試，特別是未在TI評(píng)估模塊中測(cè)試過(guò)的瞬態(tài)。
2. 如果啟動(dòng)時(shí)預(yù)計(jì)有較大的輸入紋波，增加 (C{SS, VEE}) 與 (C{ss}) 的比值，以減少啟動(dòng)時(shí)的輸入電流紋波。
3. 當(dāng)輸入電感較大（>40μH）時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電流限制環(huán)路不穩(wěn)定或啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振蕩。此時(shí)可在柵極和VEE之間添加電容，若啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振蕩，可添加輸入緩沖器。

八、布局注意事項(xiàng)

（一）布局指南

1. VEE和SNS引腳應(yīng)采用開(kāi)爾文感應(yīng)連接到檢測(cè)電阻，以確保電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
2. VEE走線應(yīng)粗而短，以減少I(mǎi)R壓降和電流檢測(cè)誤差。
3. 建議使用網(wǎng)絡(luò)連接將進(jìn)入 (R_{SNS}) 的電源平面與VEE的開(kāi)爾文連接分開(kāi)。
4. 將Neg48Vx濾波電容、UVEN電阻分壓器、OV電阻分壓器和TMR電容連接到“VEE”，以確保最大精度。
5. Neg48VB、Neg48VA和SNS上的濾波電容應(yīng)盡可能靠近IC放置。

（二）布局示例

提供了一個(gè)布局示例，展示了如何合理安排電路元件，以滿(mǎn)足上述布局指南的要求。

九、設(shè)備與文檔支持

（一）設(shè)備支持

TI對(duì)第三方產(chǎn)品或服務(wù)的信息發(fā)布不構(gòu)成對(duì)其適用性的認(rèn)可或保證。

（二）文檔支持

提供了相關(guān)文檔鏈接，如TPS23525EVM - 815評(píng)估模塊用戶(hù)指南。

（三）文檔更新通知

可在ti.com上注冊(cè)接收文檔更新通知。

（四）社區(qū)資源

提供了TI E2E在線社區(qū)和設(shè)計(jì)支持的鏈接，方便工程師交流和獲取技術(shù)支持。

（五）靜電放電注意事項(xiàng)

TPS23525集成電路易受ESD損壞，操作時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

十、總結(jié)

TPS23525是一款功能強(qiáng)大的 -48V熱插拔與雙ORing控制器，具有多種保護(hù)功能和靈活的編程特性，適用于各種電信設(shè)備。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮電路的各個(gè)方面，包括電流限制、軟啟動(dòng)、定時(shí)器、ORing功能、設(shè)備功能模式、應(yīng)用場(chǎng)景、電源供應(yīng)、布局等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，合理利用TI提供的設(shè)計(jì)工具和文檔支持，可以提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。大家在實(shí)際應(yīng)用中，有沒(méi)有遇到過(guò)類(lèi)似熱插拔控制器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。