LM25069：正低壓功率限制熱插拔控制器詳解

在電子設(shè)計領(lǐng)域，熱插拔控制器是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行和安全的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 LM25069 正低壓功率限制熱插拔控制器，看看它有哪些獨特的特性和應(yīng)用優(yōu)勢。

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一、LM25069 概述

LM25069 是一款專為控制電路卡插入帶電背板或其他“熱”電源時的浪涌電流而設(shè)計的控制器。它能有效限制背板電源電壓的下降和施加到負載的電壓的 dV/dt，減少對系統(tǒng)中其他電路的影響，防止可能的意外復(fù)位。同時，在電路卡移除時，也能實現(xiàn)受控關(guān)機。

1.1 主要特性

• 寬工作范圍：工作電壓范圍為 +2.9V 至 +17V，具有 20V 的瞬態(tài)能力。
• 浪涌電流限制：確保安全地將電路板插入帶電電源，限制系統(tǒng)電壓下降和瞬態(tài)。
• 可編程功率耗散：可對外部串聯(lián) N 溝道 MOSFET 的最大功率耗散進行編程，使其在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)運行。
• 可調(diào)電流限制：通過檢測電流檢測電阻上的電壓，實現(xiàn)對負載電流的精確控制。
• 斷路器功能：在嚴重過流事件發(fā)生時，迅速切斷串聯(lián)通過器件，保護系統(tǒng)安全。
• 內(nèi)部電荷泵和柵極驅(qū)動器：為外部 N 溝道 MOSFET 提供驅(qū)動電壓，增強其性能。
• 可調(diào)欠壓和過壓鎖定：可設(shè)置欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）閾值及滯回，確保系統(tǒng)在合適的電壓范圍內(nèi)工作。
• 插入定時器和故障定時器：插入定時器允許系統(tǒng)連接后振鈴和瞬態(tài)平息；可編程故障定時器避免誤觸發(fā)。
• POWER GOOD 輸出：指示輸出電壓是否在輸入電壓的 1.3V 范圍內(nèi)，方便用戶監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。
• 多種版本可選：有鎖存故障和自動重啟兩種版本可供選擇，滿足不同應(yīng)用需求。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 服務(wù)器背板系統(tǒng)：保障服務(wù)器在熱插拔過程中的穩(wěn)定運行，減少對其他組件的影響。
• 基站配電系統(tǒng)：確?；倦娫吹目煽糠峙洌岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 固態(tài)斷路器：實現(xiàn)對電路的快速保護，防止過流損壞設(shè)備。

二、引腳描述

三、工作原理

3.1 上電序列

當 VIN 電壓最初升高時，GATE 引腳的內(nèi)部 260mA 下拉電流將外部 N 溝道 MOSFET（Q1）保持關(guān)斷狀態(tài)，同時 TIMER 引腳初始保持接地。當 VIN 電壓達到 POR 閾值時，插入時間開始，TIMER 引腳的電容（CT）由 5.5μA 電流源充電，Q1 由 GATE 引腳的 2mA 下拉電流保持關(guān)斷。插入時間結(jié)束后，CT 被 2mA 下拉電流快速放電，當 VSYS 超過 UVLO 閾值時，GATE 引腳開啟 Q1。在浪涌限制期間，內(nèi)部 80μA 故障定時器電流源對 CT 充電，若 Q1 的功率耗散和輸入電流在 TIMER 引腳達到 1.72V 之前降至各自的限制閾值以下，80μA 電流源關(guān)閉，CT 由 2.5μA 電流吸收器放電。當 OUT 引腳電壓升高到輸入電壓的 1.3V 范圍內(nèi)時，浪涌限制結(jié)束，PGD 引腳變?yōu)楦唠娖健?/p>

3.2 柵極控制

電荷泵為 GATE 引腳提供電壓，增強 N 溝道 MOSFET 的柵極。在正常工作條件下，Q1 的柵極由內(nèi)部 20μA 電流源保持充電，GATE 引腳電壓（相對于地）由內(nèi)部 19.5V 齊納二極管限制。系統(tǒng)電壓最初施加時，GATE 引腳由 260mA 下拉電流保持低電平，防止 MOSFET 通過其漏 - 柵電容意外導(dǎo)通。插入時間內(nèi)，GATE 引腳由 2mA 下拉電流保持低電平，確保 Q1 處于關(guān)斷狀態(tài)。浪涌限制期間，Q1 的柵極電壓被調(diào)制以保持電流或功率耗散不超過編程水平。若浪涌限制條件持續(xù)，TIMER 引腳達到 1.72V 時，GATE 引腳被 2mA 下拉電流拉低，直到重新啟動。若系統(tǒng)輸入電壓低于 UVLO 閾值或高于 OVLO 閾值，GATE 引腳也會被 2mA 下拉電流拉低，關(guān)閉 Q1。

3.3 電流限制

當電流檢測電阻（RS）兩端的電壓（VIN 到 SENSE）達到 50mV 時，達到電流限制閾值。在電流限制條件下，GATE 電壓被控制以限制 MOSFET Q1 中的電流。電流限制電路激活時，故障定時器也會激活。若負載電流在故障超時周期結(jié)束前降至電流限制閾值以下，LM25069 恢復(fù)正常運行。為確保正常運行，RS 電阻值不應(yīng)大于 200mΩ，否則可能導(dǎo)致電流限制控制回路不穩(wěn)定。

3.4 斷路器功能

當負載電流迅速增加（如負載短路）時，電流檢測電阻（RS）中的電流可能在電流限制控制回路響應(yīng)之前超過電流限制閾值。若電流超過約兩倍的電流限制閾值（95mV/RS），GATE 引腳的 260mA 下拉電流將 Q1 迅速關(guān)閉，并開始故障超時周期。當 RS 兩端的電壓降至 95mV 以下時，GATE 引腳的 260mA 下拉電流關(guān)閉，Q1 的柵極電壓由電流限制或功率限制功能決定。若 TIMER 引腳在電流限制或功率限制條件停止之前達到 1.72V，GATE 引腳的 2mA 下拉電流將 Q1 關(guān)閉。

3.5 功率限制

LM25069 的一個重要特性是 MOSFET 功率限制。通過監(jiān)測 Q1 的漏 - 源電壓（SENSE 到 OUT）和通過電流檢測電阻（VIN 到 SENSE）的漏極電流，確定 Q1 的功率耗散。將電流和電壓的乘積與 PWR 引腳電阻編程的功率限制閾值進行比較，若功率耗散達到限制閾值，GATE 電壓被調(diào)制以調(diào)節(jié) Q1 中的電流。功率限制電路激活時，故障定時器也會激活。

3.6 故障定時器和重啟

當開啟時或由于故障條件達到電流限制或功率限制閾值時，Q1 的柵 - 源電壓被調(diào)制以調(diào)節(jié)負載電流和 Q1 中的功率耗散。任一限制功能激活時，80μA 故障定時器電流源對 TIMER 引腳的外部電容（CT）充電。若故障條件在故障超時周期內(nèi) TIMER 引腳達到 1.72V 之前消失，LM25069 返回正常運行模式，CT 由 2.5μA 電流吸收器放電。若 TIMER 引腳在故障超時周期內(nèi)達到 1.72V，GATE 引腳的 2mA 下拉電流將 Q1 關(guān)閉。后續(xù)的重啟程序取決于使用的 LM25069 版本：

• LM25069 - 1：在故障超時周期結(jié)束時，GATE 引腳鎖定為低電平，CT 由 2.5μA 故障電流吸收器放電至地。GATE 引腳由 2mA 下拉電流保持低電平，直到通過外部控制（如循環(huán)輸入電壓或瞬間將 UVLO 引腳拉至閾值以下）啟動上電序列。
• LM25069 - 2：提供自動重啟序列，故障超時周期后，TIMER 引腳在 1.72V 和 1V 之間循環(huán)七次。每次循環(huán)的周期由 80μA 充電電流、2.5μA 放電電流和電容 CT 的值決定。第八次高 - 低斜坡期間，TIMER 引腳達到 0.3V 時，GATE 引腳的 20μA 電流源開啟 Q1。若故障條件仍然存在，故障超時和重啟周期將重復(fù)。

3.7 欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）

當輸入電源電壓（VSYS）在可編程的欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）水平定義的工作范圍內(nèi)時，串聯(lián)通過 MOSFET（Q1）被啟用。通常，通過電阻分壓器（R1 - R3）設(shè)置 UVLO 水平。當 VSYS 低于 UVLO 水平時，UVLO 處的內(nèi)部 20μA 電流源啟用，OVLO 處的電流源關(guān)閉，Q1 由 GATE 引腳的 2mA 下拉電流保持關(guān)斷。當 VSYS 升高，UVLO 引腳電壓超過其閾值時，UVLO 處的 20μA 電流源關(guān)閉，提供滯回。若插入時間延遲已過期，Q1 由 GATE 引腳的 20μA 電流源開啟。若 VSYS 使 OVLO 引腳電壓超過其閾值，Q1 由 GATE 引腳的 2mA 下拉電流關(guān)閉，切斷負載電源。當 OVLO 引腳高于其閾值時，OVLO 處的內(nèi)部 20μA 電流源開啟，提供閾值滯回。當 VSYS 降至 OVLO 水平以下時，Q1 被啟用。

3.8 關(guān)機控制

通過使用開集電極或開漏器件將 UVLO 引腳拉至閾值以下，可遠程關(guān)閉負載電流。釋放 UVLO 引腳后，LM25069 以浪涌電流和功率限制開啟負載電流。

3.9 電源良好引腳（PGD）

電源良好指示引腳（PGD）連接到內(nèi)部 N 溝道 MOSFET 的漏極，能夠在關(guān)斷狀態(tài)下承受 17V 電壓和高達 20V 的瞬態(tài)電壓。PGD 需要一個外部上拉電阻連接到適當?shù)碾妷海韵蚝罄m(xù)電路指示狀態(tài)。PGD 在 VIN 電壓低于 1.6V 時為高電平，當 VIN 電壓升高超過約 1.6V 時變?yōu)榈碗娖健．?OUT 引腳電壓升高到 SENSE 引腳電壓的 1.3V 范圍內(nèi)（VDS < 1.3V）時，PGD 變?yōu)楦唠娖剑划?Q1 的 VDS 高于 1.9V 時，PGD 變?yōu)榈碗娖?。?UVLO 引腳低于其閾值或 OVLO 引腳高于其閾值，禁用 LM25069，PGD 在 10μs 內(nèi)變?yōu)榈碗娖?，無需等待 OUT 引腳電壓下降。

四、應(yīng)用信息

4.1 電流限制電阻（RS）

LM25069 通過測量連接在 VIN 和 SENSE 之間的電流檢測電阻（RS）兩端的電壓來監(jiān)測外部 MOSFET（Q1）中的電流。所需的電阻值根據(jù)公式 (RS = frac{50mV}{I{LIM}}) 計算，其中 (I_{LIM}) 是所需的電流限制閾值。為確保正常運行，RS 不應(yīng)大于 200mΩ。同時，應(yīng)考慮電阻的功率額定值和浪涌能力，連接 RS 到 LM25069 時應(yīng)使用 Kelvin 技術(shù)，以消除高電流焊點上的電壓降。

4.2 功率限制閾值

LM25069 通過監(jiān)測 Q1 的漏極電流（RS 中的電流）和 VDS（SENSE 到 OUT 引腳）來確定其功率耗散。PWR 引腳的電阻（RPWR）設(shè)置 Q1 的最大功率耗散，計算公式為 (R_{PWR}=2.32 × 10^5 × RS × P{FET(LIM)})，其中 (P_{FET(LIM)}) 是 Q1 的所需功率限制閾值。若 Q1 的功率耗散達到閾值，Q1 的柵極被調(diào)制以調(diào)節(jié)負載電流，防止其超過閾值。為確保功率限制功能正常工作，RPWR 必須 ≤150kΩ。若應(yīng)用不需要使用功率限制功能，PWR 引腳可以懸空。

4.3 開啟時間

輸出開啟時間取決于 LM25069 在開啟時是僅工作在電流限制模式，還是同時工作在功率限制和電流限制模式：

• 僅電流限制：若電流限制閾值小于最大功率限制閾值在最大 VDS 時定義的電流，電路在開啟時僅工作在電流限制閾值。輸出引腳電壓從 0V 過渡到 VSYS 的時間為 (t{ON}=frac{V{SYS} × C{L}}{I{LIM}})，其中 (C{L}) 是負載電容。若負載在開啟序列期間吸取電流，開啟時間會更長，近似為 (t{ON}=-(R{L} × C{L}) × ln[frac{(I{LIM} × R{L}) - V{SYS}}{(I{LIM} × R{L})}])，其中 (R{L}) 是負載電阻。
• 功率限制和電流限制：若電流限制閾值高于最大功率限制閾值在最大 VDS 時定義的電流，電路在 Q1 的 VDS 較高時最初工作在功率限制模式，然后隨著電流增加到 (I{LIM}) 且 VDS 降低，過渡到電流限制模式。假設(shè)負載在開啟時未連接，輸出電壓達到最終值的時間近似為 (t{ON}=frac{C{L} × V{SYS}^2}{2 × P{FET(LIM)}} + frac{C{L} × P{FET(LIM)}}{2 × I{LIM}^2})。故障超時周期必須設(shè)置得比開啟時間長，以防止在開啟序列完成之前發(fā)生故障關(guān)機。

4.4 MOSFET 選擇

選擇外部 MOSFET（Q1）時，應(yīng)考慮以下標準：

• 擊穿電壓（BVDSS）：額定值應(yīng)大于最大系統(tǒng)電壓（VSYS），并考慮插入或移除電路板時可能出現(xiàn)的振鈴和瞬態(tài)。
• 最大連續(xù)電流：額定值應(yīng)基于電流限制閾值（50mV/RS），而不是最大負載電流，因為電路可以連續(xù)接近電流限制閾值運行。
• 脈沖漏極電流（IDM）：規(guī)格必須大于斷路器功能的電流閾值（95mV/RS）。
• 安全工作區(qū)（SOA）：應(yīng)參考器件的 SOA 圖表和熱特性，確定由 RPWR 電阻設(shè)置的最大功率耗散閾值。若使用 LM25069 - 2，編程的最大功率耗散應(yīng)與 FET 的 SOA 圖表定義的最大功率有合理的余量，因為 FET 在故障重啟周期中會反復(fù)受到應(yīng)力。
• 導(dǎo)通電阻（RDS(on)）：應(yīng)足夠低，以確保在最大負載電流下的功率耗散不會使其結(jié)溫超過制造商的建議。
• 柵 - 源閾值電壓：若電路的輸入電壓處于 LM25069 工作范圍的低端（<3.5V）或高端（>14V），LM25069 施加到 MOSFET 的柵 - 源電壓小于 5V，在最壞情況下可能接近 1V。所選器件必須具有合適的柵 - 源閾值電壓。
• 柵 - 源電壓保護：LM25069 在開啟時提供的柵 - 源電壓可能高達 19.5V，關(guān)閉時反向柵 - 源電壓將等于 GATE 引腳被拉低瞬間的輸出電壓。若所選 Q1 器件的額定電壓不滿足要求，必須在其柵極和源極之間添加一個外部齊納二極管，齊納電壓應(yīng)小于器件的最大 VGS 額定值，齊納二極管的正向電流額定值必須至少為