TPS24720熱插拔控制器：特性、設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，熱插拔控制器的使用極為廣泛，能夠確保在帶電系統(tǒng)中安全地插入和拔出模塊，避免對(duì)系統(tǒng)造成損害。其中，德州儀器（TI）的TPS24720熱插拔控制器以其豐富的特性和可靠的性能，成為眾多工程師的首選。

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產(chǎn)品概述

TPS24720是一款適用于2.5V至18V電源軌的易用型全功能保護(hù)設(shè)備，其采用3mm×3mm、16引腳的QFN封裝，具有諸多顯著特性，使其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中都能發(fā)揮出色的性能。

特性亮點(diǎn)

• 寬電壓范圍：支持2.5V至18V的工作電壓，可適應(yīng)多種電源環(huán)境，為不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了廣泛的選擇。
• 精準(zhǔn)電流限制：在啟動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)精確的電流限制，有效保護(hù)電路元件，防止因過大電流對(duì)設(shè)備造成損壞，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。
• 可編程保護(hù)功能：具備可編程的FET安全工作區(qū)（SOA）保護(hù)、可調(diào)電流檢測(cè)閾值和可編程故障定時(shí)器，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置保護(hù)參數(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
• 多種監(jiān)測(cè)與指示輸出：提供功率良好（Power-Good）輸出、模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)輸出、FET故障檢測(cè)標(biāo)志等，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。
• 快速短路保護(hù)：擁有快速斷路器，可在發(fā)生短路時(shí)迅速切斷電路，保護(hù)電源、負(fù)載和外部MOSFET，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。
• 低功耗模式：具備低電流待機(jī)模式，在系統(tǒng)不需要全功率運(yùn)行時(shí)可降低功耗，提高能源利用效率。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

TPS24720的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括但不限于服務(wù)器背板、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）、電信夾層卡、醫(yī)療系統(tǒng)、插件模塊和基站等。這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求極高，TPS24720憑借其出色的性能，能夠有效滿足這些需求。

引腳配置與功能詳解

TPS24720的引腳配置和功能設(shè)計(jì)緊密圍繞其特性和應(yīng)用需求，每個(gè)引腳都承擔(dān)著特定的任務(wù)，下面對(duì)主要引腳進(jìn)行詳細(xì)介紹。

使能與控制引腳

• EN（使能輸入）：高電平有效，為芯片提供啟動(dòng)信號(hào)。還可配合外部電阻分壓器，作為欠壓監(jiān)測(cè)的輸入，當(dāng)輸入電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，可通過拉低EN引腳來關(guān)閉芯片。如果芯片因故障而鎖定關(guān)閉，可通過將EN引腳拉低再拉高來進(jìn)行復(fù)位。
• ENSD（低電流待機(jī)模式控制）：將該引腳拉低，可使芯片進(jìn)入低電流待機(jī)模式，此時(shí)內(nèi)部電路全部關(guān)閉，PGb、FLTb和FFLTb輸出呈高阻態(tài)，同時(shí)通過一個(gè)20kΩ的電阻將GATE引腳拉至地，以降低功耗。在需要快速關(guān)閉的應(yīng)用中，應(yīng)先通過EN引腳關(guān)閉芯片，再拉低ENSD引腳。

  監(jiān)測(cè)與指示引腳

• FFLTb（FET故障指示）：低電平有效，為開漏輸出。當(dāng)VCC高于欠壓鎖定（UVLO）上升閾值，且EN引腳禁用時(shí)IMON引腳電壓超過103mV，表明外部MOSFET可能短路，此時(shí)FFLTb引腳會(huì)被拉低。在ENSD引腳被拉低、芯片溫度超過過溫保護(hù)（OTSD）閾值或VCC低于UVLO下降閾值時(shí)，F(xiàn)FLTb引腳呈高阻態(tài)。該引腳在不使用時(shí)可懸空。
• FLTb（過載故障指示）：同樣為低電平有效、開漏輸出。當(dāng)芯片在限流狀態(tài)下持續(xù)時(shí)間超過故障定時(shí)器設(shè)定時(shí)間時(shí)，F(xiàn)LTb引腳會(huì)被拉低。其行為取決于LATCH引腳的狀態(tài)，若LATCH引腳為高電平或懸空，芯片工作在鎖定模式；若LATCH引腳為低電平，芯片工作在重試模式。無論是哪種模式，F(xiàn)LTb引腳都能準(zhǔn)確指示故障狀態(tài)。該引腳在不使用時(shí)也可懸空。
• PGb（功率良好指示）：低電平有效，開漏輸出，用于與下游的DC/DC轉(zhuǎn)換器或監(jiān)測(cè)電路進(jìn)行接口。當(dāng)FET的漏源電壓低于170mV，并經(jīng)過3.4ms的去毛刺延遲后，PGb引腳被拉低，表示芯片已完成啟動(dòng)過程，下游電路可以開始工作。當(dāng)M1的漏源電壓超過240mV時(shí)，PGb引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)，提示可能存在過載、短路、過壓等故障情況。該引腳在不使用時(shí)可懸空。

  驅(qū)動(dòng)與控制引腳

• GATE（外部MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出）：為外部N溝道MOSFET提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。芯片內(nèi)部的電荷泵可提供30μA的電流，增強(qiáng)外部MOSFET的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，在GATE引腳與VCC引腳之間存在一個(gè)13.9V的鉗位電路，可限制柵源電壓，確保MOSFET工作在安全范圍內(nèi)。在啟動(dòng)過程中，跨導(dǎo)放大器會(huì)調(diào)節(jié)M1的柵極電壓，實(shí)現(xiàn)浪涌電流限制。當(dāng)V(GATE - VCC)超過定時(shí)器激活電壓（對(duì)于VCC = 12V，該電壓為5.9V）時(shí)，芯片進(jìn)入斷路器模式。GATE引腳可通過三種機(jī)制被拉低，以保護(hù)電路安全。
• TIMER（故障定時(shí)電容連接引腳）：連接一個(gè)電容到地，用于確定過載故障的定時(shí)時(shí)間。當(dāng)出現(xiàn)過載時(shí)，TIMER引腳以10μA的電流對(duì)電容進(jìn)行充電；當(dāng)V(GATE - VCC)超過定時(shí)器激活電壓或故障定時(shí)器時(shí)間到，TIMER引腳以10μA的電流對(duì)電容進(jìn)行放電。M1會(huì)在VTIMER達(dá)到1.35V時(shí)被關(guān)閉。在故障自動(dòng)重試的應(yīng)用中，該電容還決定了外部MOSFET重新啟用的周期。建議使用至少1nF的電容，以確保故障定時(shí)器正常工作。

  電流與電壓監(jiān)測(cè)引腳

• IMON（模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)輸出）：通過連接一個(gè)電阻到地，可對(duì)電流限制和功率限制進(jìn)行縮放設(shè)置。該引腳的電壓與流經(jīng)檢測(cè)電阻RSENSE的電流成正比，可用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電流流動(dòng)。在正常工作時(shí)，該引腳不應(yīng)連接旁路電容或其他負(fù)載，以免影響監(jiān)測(cè)精度。
• SENSE（電流檢測(cè)輸入）：連接到RSENSE的負(fù)端，可檢測(cè)該電阻兩端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能監(jiān)測(cè)外部FET的漏源電壓。電流限制ILIM由特定公式設(shè)定，當(dāng)V(VCC - VSENSE)超過60mV時(shí)，會(huì)觸發(fā)快速跳閘關(guān)機(jī)，保護(hù)電路免受過載或短路的影響。
• SET（電流限制編程設(shè)置引腳）：通過連接一個(gè)電阻到RSENSE的正端，可對(duì)電流限制和功率限制進(jìn)行縮放設(shè)置。該電阻與RIMON和RSENSE共同決定電流限制值，其值可根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得出。

  電源與參考引腳

• VCC（輸入電壓檢測(cè)與電源）：為芯片提供偏置電源，同時(shí)也是上電復(fù)位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能的輸入引腳。為了減小電壓檢測(cè)誤差，VCC引腳的走線應(yīng)直接連接到RSENSE的正端，并在RSENSE的正端連接一個(gè)至少10nF的旁路電容，以穩(wěn)定電源電壓。
• PROG（功率限制編程引腳）：通過連接一個(gè)電阻到地，可設(shè)置外部MOSFET在浪涌期間允許的最大功率。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)MOSFET的最大允許熱應(yīng)力來確定功率限制值，并通過特定公式計(jì)算出所需的RPROG電阻值。

工作模式與原理分析

上電插入模式（Board Plug-In）

當(dāng)熱插拔板在TPS24720的控制下插入系統(tǒng)總線時(shí)，初始階段只有旁路電容的充電電流和小偏置電流。此時(shí)，芯片處于不活動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)部電壓需要一段時(shí)間來穩(wěn)定。在這段時(shí)間內(nèi)，GATE、PROG和TIMER引腳被拉低，PGb、FLTb和FFLTb引腳呈高阻態(tài)。當(dāng)內(nèi)部VCC電壓超過約1.5V時(shí)，上電復(fù)位（POR）電路初始化芯片，啟動(dòng)過程開始。一旦內(nèi)部電壓穩(wěn)定且外部EN引腳超過其閾值，芯片開始從GATE引腳提供電流，開啟MOSFET M1。同時(shí)，芯片會(huì)監(jiān)測(cè)M1的漏源電壓和漏極電流，并通過控制柵極電壓來限制漏極電流，確保MOSFET的功率耗散不超過用戶設(shè)定的功率限制值。

浪涌電流限制模式（Inrush Operation）

在芯片初始化完成且EN引腳激活后，GATE引腳開始增加電壓。當(dāng)VGATE達(dá)到MOSFET M1的柵極閾值時(shí)，電流開始流入下游的大容量存儲(chǔ)電容。當(dāng)該電流超過功率限制引擎設(shè)定的限制值時(shí)，反饋回路會(huì)調(diào)節(jié)MOSFET的柵極，使MOSFET電流以受控的方式上升，從而限制電容充電浪涌電流，并將MOSFET的功率耗散限制在安全水平。在GATE引腳啟用時(shí)，TIMER引腳開始以約10μA的電流對(duì)定時(shí)電容CT進(jìn)行充電，直到V(GATE - VCC)達(dá)到定時(shí)器激活電壓（對(duì)于VCC = 12V，該電壓為5.9V），此時(shí)TIMER引腳開始以約10μA的電流對(duì)CT進(jìn)行放電，表示浪涌模式結(jié)束。如果在V(GATE - VCC)達(dá)到定時(shí)器激活電壓之前，TIMER超過其上限閾值1.35V，GATE引腳將被拉低，芯片根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)進(jìn)入鎖定模式或自動(dòng)重試模式。

恒功率引擎工作原理（Action of the Constant-Power Engine）

在啟動(dòng)過程中，恒功率引擎發(fā)揮著重要作用。通過連接在PROG和地之間的電阻，可將電路的功率限制設(shè)置為特定值。當(dāng)電流開始流經(jīng)MOSFET時(shí)，其兩端的電壓為輸入電壓VCC。恒功率引擎會(huì)根據(jù)功率限制值和當(dāng)前電壓，允許相應(yīng)的電流流過MOSFET，并且隨著漏源電壓的減小，電流會(huì)以反比例的方式增加，以保持MOSFET的功率耗散恒定。這種行為類似于折返限流，但能使功率器件在接近其最大能力的狀態(tài)下工作，從而減少啟動(dòng)時(shí)間并最小化所需MOSFET的尺寸。

斷路器與快速跳閘功能（Circuit Breaker and Fast Trip）

TPS24720通過檢測(cè)RSENSE兩端的電壓來監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，并設(shè)有兩個(gè)不同的閾值：電流限制閾值和快速跳閘閾值。當(dāng)負(fù)載電流超過電流限制閾值但低于快速跳閘閾值時(shí)，約10μA的電流會(huì)開始對(duì)定時(shí)電容CT進(jìn)行充電。如果CT上的電壓達(dá)到1.35V，外部MOSFET將被關(guān)閉，芯片根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)進(jìn)入鎖定或重啟循環(huán)，同時(shí)故障引腳FLTb會(huì)被拉低，以指示故障狀態(tài)。這種保護(hù)機(jī)制類似于電子斷路器，允許在一定時(shí)間內(nèi)存在過載電流。而快速跳閘閾值則用于保護(hù)系統(tǒng)免受嚴(yán)重過載或短路的影響。當(dāng)RSENSE兩端的電壓超過60mV的快速跳閘閾值時(shí)，GATE引腳會(huì)立即以約1A的電流將外部MOSFET的柵極拉至地，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)機(jī)。這種快速關(guān)機(jī)可能會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾性瞬變，可通過在GATE引腳和MOSFET柵極之間插入一個(gè)低值電阻來緩解。快速跳閘電路會(huì)將MOSFET保持關(guān)閉狀態(tài)幾微秒，然后芯片會(huì)緩慢重新開啟，讓電流限制反饋回路接管M1的柵極控制，最終根據(jù)預(yù)定條件進(jìn)入鎖定模式或自動(dòng)重試模式。

自動(dòng)重啟模式（Automatic Restart）

如果LATCH引腳連接到地，當(dāng)故障導(dǎo)致外部MOSFET M1關(guān)閉后，TPS24720會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)重啟過程。內(nèi)部控制電路會(huì)使用CT來計(jì)數(shù)16個(gè)周期，然后重新啟用M1。如果故障仍然存在，這個(gè)序列會(huì)不斷重復(fù)。定時(shí)器的充電和放電電流比為1:1，在第一個(gè)周期，TIMER引腳從0V上升到上限閾值1.35V，然后下降到0.35V后重啟；在接下來的16個(gè)周期中，以0.35V作為下限閾值。這種小占空比的設(shè)計(jì)通常能將平均短路功率耗散降低到正常運(yùn)行水平，避免了在長(zhǎng)時(shí)間輸出短路情況下的特殊熱考慮。

PGb、FLTb和定時(shí)器操作（PGb, FLTb, and Timer Operations）

• PGb引腳：其開漏輸出可基于M1兩端的電壓提供去毛刺后的浪涌結(jié)束指示，對(duì)于防止下游DC/DC轉(zhuǎn)換器在其輸入電容COUT仍在充電時(shí)啟動(dòng)非常有用。在COUT充電約3.4ms后，PGb引腳變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)M1已完全開啟，電源電路中的任何瞬變都已結(jié)束，下游轉(zhuǎn)換器可以安全啟動(dòng)。這種時(shí)序安排可防止下游轉(zhuǎn)換器在功率限制引擎允許MOSFET傳導(dǎo)由電流限制ILIM設(shè)定的全電流之前要求全電流，避免系統(tǒng)啟動(dòng)失敗。在芯片成功啟動(dòng)后，當(dāng)MOSFET M1的漏源電壓超過其上限閾值340mV時(shí)，PGb引腳會(huì)恢復(fù)到高阻態(tài)，為下游轉(zhuǎn)換器提供警告信號(hào)。
• FLTb引腳：作為一個(gè)指示器，當(dāng)負(fù)載電流超過編程的電流限制（但不超過快速跳閘閾值）的允許故障定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，F(xiàn)LTb引腳會(huì)被拉低。故障定時(shí)器在約10μA的電流開始流入外部電容CT時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)CT的電壓達(dá)到TIMER上限閾值1.35V時(shí)結(jié)束。在其他情況下，F(xiàn)LTb引腳呈高阻態(tài)。
• 定時(shí)器操作：故障定時(shí)器狀態(tài)需要一個(gè)外部電容CT連接在TIMER引腳和地之間，其持續(xù)時(shí)間為CT從0V充電到上限閾值1.35V的時(shí)間。故障定時(shí)器在三種情況下開始計(jì)數(shù)：在浪涌模式下，當(dāng)MOSFET M1啟用時(shí)，TIMER開始向定時(shí)器電容CT提供電流；當(dāng)V(GATE - VCC)超過定時(shí)器激活電壓時(shí)，TIMER開始從CT吸收電流。如果在V(GATE - VCC)達(dá)到定時(shí)器激活電壓之前，TIMER達(dá)到1.35V，芯片將禁用外部MOSFET M1。在過載故障或輸出短路故障時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流超過編程的電流限制后，TIMER開始向CT提供電流；當(dāng)CT電壓達(dá)到上限閾值1.35V時(shí)，TIMER開始從CT吸收電流，GATE引腳被拉至地。在故障定時(shí)器周期結(jié)束后，根據(jù)LATCH引腳的狀態(tài)，TIMER可能進(jìn)入鎖定模式或重試模式。如果在故障定時(shí)器周期內(nèi)，故障電流降至編程的電流限制以下，VTIMER會(huì)降低，并且通態(tài)MOSFET將保持啟用狀態(tài)。在鎖定模式和重試模式下，TIMER的行為有所不同。在鎖定模式下，TIMER引腳會(huì)周期性地對(duì)連接的電容進(jìn)行充電和放電，直到芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用；在重試模式下，TPS24720會(huì)在TIMER對(duì)CT進(jìn)行16個(gè)充電和放電周期后嘗試重新啟動(dòng)。在第16個(gè)充電和放電周期結(jié)束時(shí)，TIMER引腳被拉至地，然后在GATE引腳提供電流的初始半周期內(nèi)從0V上升到1.35V。一旦過載故障消除或芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用，這種周期性模式將停止。

  過溫保護(hù)（Overtemperature Shutdown）

  TPS24720內(nèi)置了過溫保護(hù)電路，當(dāng)芯片溫度超過約140°C時(shí)，該電路會(huì)禁用柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)FLTb、FFLTb和PGb引腳會(huì)變?yōu)楦咦钁B(tài)，以保護(hù)芯片免受過溫?fù)p壞。當(dāng)芯片溫度下降約10°C后，芯片將恢復(fù)正常工作。

  啟動(dòng)方式（Start-Up of Hot-Swap Circuit by VCC or EN）

  TPS24720有兩種啟動(dòng)MOSFET M1的方式：當(dāng)EN引腳電壓高于其上限閾值，且VCC電壓高于UVLO上限閾值時(shí)，芯片會(huì)從GATE引腳提供電流，經(jīng)過浪涌期后，芯片會(huì)完全開啟MOSFET M1；或者當(dāng)VCC電壓高于UVLO上限閾值，且EN引腳電壓高于其上限閾值時(shí)，同樣會(huì)觸發(fā)上述過程。通過EN引腳，可在選定的輸入電壓VCC下啟動(dòng)芯片。為了將負(fù)載與輸入電源總線隔離，GATE引腳會(huì)吸收電流并將MOSFET M1的柵極拉低。MOSFET可在多種情況下被禁用，如UVLO、EN、ENSD、負(fù)載電流超過電流限制閾值、負(fù)載短路、OV或OTSD等。GATE引腳可通過三種不同的機(jī)制被拉低，以確保在各種故障情況下都能及時(shí)保護(hù)電路。

  低功耗待機(jī)模式（Minimization of Power Dissipation at STANDY by ENSD）

  ENSD引腳使TPS24720能夠在需要低功耗待機(jī)模式的應(yīng)用中使用。當(dāng)該引腳電壓低于其閾值電壓時(shí)，所有內(nèi)部電路將被關(guān)閉，GATE引腳通過一個(gè)20kΩ的電阻放電至地，從而禁用MOSFET，將功耗降至最低。進(jìn)入待機(jī)模式的正確步驟是先通過EN引腳關(guān)閉芯片，然后拉低ENSD引腳。

  MOSFET短路檢測(cè)（Fault Detection of MOSFET Short With FFLTb）

  FFLTb引腳是TPS24720的一個(gè)重要特性，可用于檢測(cè)MOSFET的短路情況。當(dāng)EN引腳電壓低于其閾值、VCC電壓高于UVLO閾值且VIMON > 103mV時(shí)，F(xiàn)FLTb引腳會(huì)被拉低，表明GATE引腳已關(guān)閉，但電流仍在流經(jīng)RSENSE，這意味著MOSFET可能存在漏源短路故障。

設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)考慮因素

在設(shè)計(jì)使用TPS24720的熱插拔電路時(shí)，需要考慮三個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)景：?jiǎn)?dòng)、熱插拔時(shí)輸出短路（熱短路）以及輸出和地短路時(shí)給電路板上電（啟動(dòng)到短路）。這些場(chǎng)景都會(huì)對(duì)熱插拔MOSFET造成應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保MOSFET在其安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)運(yùn)行。可以使用TPS24720設(shè)計(jì)計(jì)算器（SLVC563）來輔助進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)方程計(jì)算。

典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

以一個(gè)12V、10A的系統(tǒng)為例，介紹TPS24720的典型應(yīng)用設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)