SGM25701：高性能正高壓熱插拔與浪涌電流控制器解析

在電子設(shè)備的設(shè)計中，熱插拔功能以及浪涌電流的控制至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下SGMICRO推出的SGM25701——一款正高壓熱插拔與浪涌電流控制器，它在保障電路安全和穩(wěn)定運行方面有著出色的表現(xiàn)。

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一、產(chǎn)品概述

SGM25701是一款能讓電路板安全插入或拔出帶電背板的正熱插拔控制器。它具備的浪涌電流控制功能可有效降低電源軌上的電壓降。同時，該芯片提供可編程的功率限制和電流限制，能確保外部MOSFET始終在安全工作區(qū)域（SOA）內(nèi)運行。當(dāng)輸出電壓 (V{out}) 上升到輸入電壓 (V{IN}) 的1.4V范圍內(nèi)時，芯片具有良好的輸出指示功能。此外，它還支持可編程的欠壓鎖定或過壓鎖定，若 (V_{IN}) 低于或高于閾值，設(shè)備將關(guān)閉。用戶還可調(diào)整故障檢測時間和初始插入延遲時間。SGM25701有兩種型號，SGM25701A在檢測到故障時會進(jìn)入自動重試模式，而SGM25701B則會鎖定關(guān)斷。該芯片采用綠色MSOP - 10封裝。

二、產(chǎn)品特性

（一）寬輸入電壓范圍

其輸入電壓范圍為9V至70V，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，可將PCB安全插入帶電設(shè)備。

（二）靈活的電流和功率控制

具備浪涌電流限制功能，可對外部設(shè)備進(jìn)行編程，設(shè)置最大損耗限制和可編程電流限制，有效保護電路。

（三）可調(diào)節(jié)的鎖定功能

支持可調(diào)節(jié)的欠壓鎖定（EN/UVLO）和過壓鎖定（OVLO），能根據(jù)實際需求精確設(shè)置鎖定閾值，保障設(shè)備在合適的電壓范圍內(nèi)工作。

（四）良好的輸出指示

采用開漏輸出，能提供良好的輸出指示，方便工程師監(jiān)測電路狀態(tài)。

（五）快速切斷功能

在出現(xiàn)嚴(yán)重過流情況時，具有快速切斷功能，可及時保護電路免受損壞。

（六）適配外部N - MOSFET

可配置電荷泵/柵極驅(qū)動器，用于驅(qū)動外部N - MOSFET，增強了芯片的通用性。

（七）插入時間設(shè)置

允許設(shè)置插入時間，以適應(yīng)系統(tǒng)連接后的振鈴和瞬態(tài)恢復(fù)過程，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動。

（八）可調(diào)故障定時

能調(diào)節(jié)故障定時，防止故障后出現(xiàn)誤關(guān)機行為。SGM25701A支持自動重試，SGM25701B則采用鎖定關(guān)斷模式。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM25701適用于多種場景，如24V/48V工業(yè)系統(tǒng)、服務(wù)器背板系統(tǒng)、固態(tài)斷路器以及基站等。這些領(lǐng)域?qū)﹄娐返陌踩院头€(wěn)定性要求較高，SGM25701的特性正好能滿足這些需求。

四、典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中包含了多個關(guān)鍵元件，如RSENSE、CIN、Z1、D1、COUT、M1等。其中，RSENSE用于測量電流，當(dāng)檢測到的電壓超過55mV時，表明電路處于過載狀態(tài)，此時故障定時器啟動。在重復(fù)重啟時，特定電阻能為GATE引腳提供穩(wěn)定的泄漏路徑。

五、電氣特性

（一）輸入電流

在使能和禁用狀態(tài)下，輸入電流有不同的表現(xiàn)。使能時，輸入電流典型值為0.40mA；禁用時，輸入電流在70 - 110μA之間。

（二）輸出偏置電流

使能時，輸出偏置電流典型值為6μA；禁用時，輸出偏置電流為25μA。

（三）鎖定閾值

EN/UVLO和OVLO的閾值電壓典型值均為2.5V，且具有一定的遲滯電流和延遲時間。

（四）功率限制

功率限制感測電壓在不同條件下有不同的值，PWR引腳電流典型值為20μA。

（五）GATE引腳

GATE引腳在正常工作時，源電流典型值為16μA，灌電流在不同條件下有所不同。其輸出電壓在正常工作時比OUT引腳高12.7V。

（六）電流限制和斷路器

電流限制閾值電壓典型值為55.0mV，響應(yīng)時間為10μs；斷路器閾值電壓典型值為105mV，響應(yīng)時間為0.4 - 1.2μs。

（七）TIMER引腳

TIMER引腳有上下閾值，插入時間電流典型值為5μA，故障檢測電流典型值為95μA，故障重啟占空比為0.43%。

（八）PG引腳

PG引腳的閾值在SENSE - OUT測量時，下降和上升時的典型值均為1.4V，輸出低電壓在灌電流為2mA時典型值為85mV。

六、詳細(xì)工作原理

（一）電流限制

當(dāng) (R{SENSE}) 上的電壓達(dá)到55mV的電流限制閾值時，設(shè)備觸發(fā)過流保護，通過控制GATE引腳限制 (M{1}) 中的電流，同時TIMER引腳激活。若在故障超時周期結(jié)束前電流低于閾值，設(shè)備恢復(fù)正常。需注意 (R_{SENSE}) 不能大于100mΩ。

（二）斷路器

當(dāng)負(fù)載電流快速上升， (R{SENSE}) 上的電流可能在電流限制控制回路響應(yīng)前超過電流限制值。當(dāng)超過兩倍電流限制值時， (M{1}) 被85mA電流源拉低迅速關(guān)斷，故障超時開始計時，直到 (R{sense}) 上的電壓降至105mV以下。若 (V{TIMER}) 在電流限制或功率限制停止前達(dá)到4V， (M_{1}) 將被2.1mA電流源拉斷。

（三）功率限制

功率限制確保 (M{1}) 的功率耗散（MAX）在SGM25701的SOA內(nèi)。設(shè)備通過感測 (M{1}) 的 (V{DS}) 和流經(jīng) (R{sense}) 的漏極電流來定義 (M_{1}) 的功率耗散，并將電流和電壓值與PWR引腳上用于編程功率限制值的電阻進(jìn)行比較。若功率限制電路激活，故障定時器啟動。

（四）EN/UVLO和OVLO

當(dāng)電源電壓 (V{IN}) 在由電阻網(wǎng)絡(luò)（ (R{1}) 、 (R{2}) 、 (R{3}) 和 (R{4}) ）編程的欠壓鎖定值和過壓鎖定值之間時， (M{1}) 開始工作。當(dāng)輸入電源電壓低于EN/UVLO閾值時，EN/UVLO內(nèi)部的19μA電流吸收器啟用，OVLO內(nèi)部的電流源關(guān)閉， (M{1}) 被GATE引腳的2.1mA電流源拉低保持關(guān)斷。隨著輸入電源電壓升高，當(dāng) (EN/UVLO) 超過2.5V時，其內(nèi)部19μA電流吸收器關(guān)閉，提高EN/UVLO電壓，為 (M{1}) 由GATE引腳的16μA電流源啟用時提供遲滯閾值。當(dāng)電源電壓上升使OVLO引腳上的電壓超過2.5V時， (M{1}) 被GATE引腳的2.1mA電流源拉低。此時，OVLO引腳電壓高于2.5V，內(nèi)部19μA電流源開啟，降低 (V{ovLO}) 以提供閾值遲滯。

（五）Power Good引腳

PG引腳在開啟期間保持高電平，直到 (V{IN}) 升高到約1V以上，此時隨著 (V{IN}) 升高，PG繼續(xù)拉低。當(dāng) (V{OUT}) 上升到SENSE引腳電壓的1.4V范圍內(nèi)（ (V{DS}) < 1.4V），PG切換為高電平。若 (M{1}) 的 (V{DS}) 升高到2.8V以上，PG切換為低電平。PG需要上拉電阻，上拉電壓（ (V_{PG}) ）最高可達(dá)70V，以實現(xiàn)高達(dá)80V的瞬態(tài)能力。若需要PG延遲，可參考相關(guān)電路添加電容。

（六）上電序列

SGM25701的上電序列可分為插入時間、浪涌限制和正常運行三個階段。輸入電壓開始升高時，GATE引腳內(nèi)部的85mA強下拉電流源防止MOSFET的米勒電容充電，TIMER引腳被拉低，直到 (V{IN}) 達(dá)到PORIT閾值。插入時間內(nèi)， (CTIMER) 由內(nèi)部5μA電流源充電， (M{1}) 仍被內(nèi)部2.1mA電流源關(guān)斷，允許 (V{IN}) 逐漸穩(wěn)定。當(dāng)TIMER引腳電壓達(dá)到4V，插入時間結(jié)束， (CTIMER) 上的電荷被內(nèi)部1.6mA電流源快速放電。插入時間后，當(dāng) (V{IN}) 達(dá)到上電復(fù)位閾值（ (POREN) ），控制電路啟用。若輸入電壓超過欠壓鎖定閾值，GATE引腳內(nèi)部的16μA電流源開始工作并開啟 (M{1}) ， (M{1}) 的 (V{GS}) 被內(nèi)部齊納二極管限制在12.7V。當(dāng)OUT引腳電壓升高，SGM25701檢測 (M{1}) 的漏極電流和功率耗散，啟用電流限制電路和功率限制電路。浪涌限制期間， (CTIMER) 由TIMER引腳的內(nèi)部95μA電流源充電。若 (M{1}) 上的功率耗散和輸入電流在 (CTIMER) 電壓值達(dá)到4V之前降至各自的限制閾值以下，95μA電流源關(guān)閉， (CTIMER) 的電荷由內(nèi)部2.4μA電流吸收器放電。當(dāng)OUT引腳電壓上升到輸入電壓的1.4V范圍內(nèi)，電流限制間隔完成，PG引腳拉高。若TIMER引腳電壓在電流限制或功率限制停止前達(dá)到4V，TIMER引腳將被啟用， (M{1}) 的GATE引腳將被內(nèi)部2.1mA電流源拉低并關(guān)閉，直到下一次上電序列開始或重啟序列結(jié)束。

（七）柵極控制

內(nèi)部電荷泵可為N - MOSFET的柵極提供高于輸出電壓的內(nèi)部偏置， (M{1}) 的 (V{GS}) 被內(nèi)部齊納二極管限制在12.7V。正常運行時，GATE引腳由內(nèi)部16μA電流源充電至比OUT引腳高約12.7V。若外部N - MOSFET的最大柵源電壓小于12.7V，需在設(shè)備外部添加正向電流至少為100mA的低壓齊納二極管。設(shè)備初始運行時，85mA的強下拉電流源可防止 (M_{1}) 通過漏極 - 柵極電容誤導(dǎo)通。系統(tǒng)初始上電時，GATE引腳被內(nèi)部85mA電流源拉低，插入時間內(nèi)被2.1mA電流源拉低，浪涌限制時間內(nèi)，當(dāng)TIMER引腳由95μA電流源充電時，GATE引腳電壓被限制在編程的電流或功率限制水平。若SGM25701在TIMER引腳充電到4V之前退出電流限制或功率限制狀態(tài)，電路將進(jìn)入正常運行模式，TIMER將由內(nèi)部2.4μA電流放電。當(dāng)TIMER引腳充電到4V且設(shè)備仍處于電流限制或功率限制狀態(tài)，負(fù)載無法正常啟動，GATE將繼續(xù)被2.1mA拉低，直到重啟序列結(jié)束（SGM25701A）或啟動序列初始化（SGM25701B）。當(dāng)電源電壓低于EN/UVLO閾值電壓或高于OVLO閾值電壓時，GATE引腳也被2.1mA電流源拉低。

（八）關(guān)機控制

通過在EN/UVLO引腳上連接開集電極設(shè)備或開漏設(shè)備，可遠(yuǎn)程控制設(shè)備關(guān)閉和安全啟動。

（九）故障定時器和重啟

啟動過程中達(dá)到電流限制或功率限制值時，GATE引腳電壓被限制以調(diào)節(jié)負(fù)載電流和功率耗散，95μA電流源對TIMER充電。若在TIMER引腳充電到4V之前電流或功率限制情況消失，設(shè)備進(jìn)入正常運行模式；否則， (M{1}) 的GATE引腳將被2.1mA電流源持續(xù)拉低，TIMER引腳由2.4μA電流吸收器放電并進(jìn)入重復(fù)充電和放電的重啟序列（SGM25701A）。經(jīng)過七個故障超時周期，當(dāng)TIMER引腳的第八次下降斜坡電壓降至0.3V以下時，重啟序列結(jié)束，GATE引腳的16μA電流源開啟 (M{1}) 。若故障持續(xù)，重啟序列將重復(fù)。SGM25701B在故障檢測超時后將鎖定故障狀態(tài)， (C_{TIMER}) 由2.4μA電流吸收器放電，GATE引腳被2.1mA電流源拉低，直到通過循環(huán)輸入電壓重置上電序列，或通過控制信號將UVLO引腳瞬間拉至2.5V以下，且TIMER引腳電壓必須小于0.3V才能有效重啟。

七、應(yīng)用設(shè)計

（一）設(shè)計要求

在設(shè)計前，需要明確一些必要參數(shù)，如輸入電壓范圍（24V - 48V）、最大工作負(fù)載電流（11A）、EN/UVLO和OVLO的上下閾值、最大負(fù)載電容（1000pF）、最大環(huán)境溫度（85°C）、MOSFET的 (R_{theta CA}) 等。這些參數(shù)會影響MOSFET的選擇和電路的性能。

（二）詳細(xì)設(shè)計步驟

1. 選擇 (R{SENSE}) 和 (C{L})

通過監(jiān)測 (SENSE) 兩端的電壓來測量實時電流，當(dāng) (R{SENSE}) 兩端電壓超過55mV時，GATE引腳被拉低。使用公式 (R{SENSE}=frac{V{CL}}{I{LIM}}=frac{55 mV}{11 A}=5 m Omega) 計算合適的感測電阻。

2. 選擇熱插拔MOSFET

選擇合適的MOSFET至關(guān)重要，要確保其 (V{DS}) 能承受系統(tǒng)的最大輸入電壓和瞬態(tài)期間引入的振鈴，SOA能滿足啟動、熱短路和啟動到短路等場景， (R{DSON}) 盡可能小以避免過度溫升，最大連續(xù)電流大于最大負(fù)載電流，漏極脈沖電流大于斷路器的閾值電流。以KNB2710A為例，可使用公式 (T{C, MAX}=T{A, MAX}+R{theta CA} × I{LOAD, MAX}^{2} × R{DSON, MAX}(T{J})) 計算最大穩(wěn)態(tài)殼溫。若單個MOSFET計算的溫度值過高，可通過增加MOSFET數(shù)量來分散功率耗散，使用公式 (T{C, MAX}=T{A, MAX}+R{OCA} times(frac{I{LOAD, MAX}}{# of MOSFETs })^{2} × R{DSON}(T{J})) 計算。

3. 選擇功率限制

通常使用功率限制可降低MOSFET的應(yīng)力，但功率限制設(shè)置過低時，流經(jīng)MOSFET的電流被控制， (R{SENSE}) 兩端的電壓會很低。使用公式 (V{SENSE}=frac{P{LIM} × R{SENSE }}{V{DS}}) 計算 (R{SENSE}) 兩端的電壓，不建議 (V{sense}) 低于5mV以避免低功率限制精度。使用公式 (P{L M, M I N}=frac{V{SENSE, M N} × V{IN,MAX }}{R{SENSE }}) 計算相應(yīng)的功率限制值，再根據(jù)公式 (R{PWR }=1.30 × 10^{5} × R{SENSE } times(P{U M}-1.18 mV × frac{V{D S}}{R{SENSE }})) 計算對應(yīng)的最小 (R_{PWR}) 。為更精確的功率限制，可選擇稍大的功率限制值，如使用33kΩ電阻設(shè)置62.1W的功率限制。

4. 設(shè)置故障定時器

要確保故障定時器有足夠時間，避免在功率限制或電流限制操作期間超時。若設(shè)備從啟動就處于電流限制狀態(tài)，使用公式 (t{START,MAX }=frac{C{OUT } × V{IN, MAX }}{L{LW}}) 計算最大啟動時間。在本示例中，設(shè)備在啟動期間從功率限制轉(zhuǎn)換為電流限制，使用公式 (t{START } =frac{C{OUT }}{2} times[frac{V{IN, MAX }^{2}}{P{LM }}+frac{P{UM}}{L{BM}^{2}}]) 估算啟動時間?？紤]到實際啟動時間會比計算時間長，還需考慮設(shè)備規(guī)格引入的誤差，增加50%的時間裕量，使用公式 (C{TIMER }=frac{t{FLT } × I{TMER (TYP) }}{V{TMER(TYP) }} × 1.5) 確定故障定時器電容值。選擇稍大電容值的680nF電容，使用公式 (t{F L T}=frac{C{TMER } × V{TMER, TYP}}{I{TMER,TYP }}) 計算故障定時器的編程時間。若系統(tǒng)在該時間內(nèi)未成功啟動，SGM25701將關(guān)閉KNB2710A MOSFET。

5. 檢查MOSFET SOA

選擇功率限制和定時器電容值后，要確認(rèn)MOSFET的SOA特性。SOA特性描述了MOSFET在一定 (V{DS}) 下能安全運行的時間。在最壞情況下，MOSFET始終處于功率限制狀態(tài)，電流值為 (P{LIM }/V{IN,MAX }) ，持續(xù)時間為 (t{FLT}) 。通過公式 (I{SOA }(t)=a × t^{m}) 、 (m=frac{ln (frac{I{soA }(t{1})}{I{soA }(t{2})})}{ln (frac{t{1}}{t{2}})}) 和 (a=frac{I{s O A}(t{1})}{t{1}^{m}}) 計算相應(yīng)的安全工作周期。考慮環(huán)境溫度和運行期間的熱增加，使用公式 (I{SOA }(28.9 ms, T{C, MAX })=I{SOA}(28.9 ms, 25^{circ} C) × frac{I{J, ABSMAX}-T{C, MAX}}{I{J, ABSMAX}-25^{circ} C}) 計算近似電流。建議選擇的MOSFET計算出的等效電流值超過所需值1.3倍，以提供足夠的裕量。

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