SGM25702：高性能高側(cè)保護(hù)控制器的深度剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高側(cè)保護(hù)控制器的需求日益增長(zhǎng)，尤其是在需要精確控制和可靠保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景中。SGM25702作為一款具有低靜態(tài)電流的高側(cè)保護(hù)控制器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。本文將深入探討SGM25702的特性、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、SGM25702概述

SGM25702是一款專門設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)高側(cè)N溝道MOSFET的控制器，能夠在標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)轉(zhuǎn)換和故障條件下智能管理MOSFET。它具備以下顯著特點(diǎn)：

1. 寬輸入電壓范圍：支持5.5V至65V的輸入電壓，適用于多種電源系統(tǒng)。
2. 低靜態(tài)電流：在禁用模式下，靜態(tài)電流小于11μA，有助于降低功耗。
3. 可控輸出上升時(shí)間：通過(guò)控制輸出電壓的恒定上升時(shí)間，確保安全連接容性負(fù)載。
4. 電荷泵柵極驅(qū)動(dòng)器：為外部N溝道MOSFET提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓。
5. 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓保護(hù)（OVP）：提供靈活的電壓保護(hù)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
6. 可編程故障檢測(cè)延遲時(shí)間：允許用戶根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置故障檢測(cè)的延遲時(shí)間。
7. 電源良好（nPG）輸出：指示外部MOSFET的工作狀態(tài)，方便系統(tǒng)監(jiān)控。

二、引腳配置與功能

引腳配置

引腳功能詳解

1. SENSE引腳：該引腳通過(guò)外部電阻與恒定電流源（典型值為16μA）相乘來(lái)確定故障檢測(cè)閾值。通過(guò)合理選擇電阻值，可以精確設(shè)置過(guò)流保護(hù)的閾值。
2. IN引腳：作為電源電壓輸入引腳，工作電壓范圍為5.5V至65V。內(nèi)部上電復(fù)位（POR）電路在IN引腳電壓超過(guò)5.1V時(shí)激活。建議在該引腳附近放置一個(gè)小陶瓷旁路電容，以減少噪聲干擾。
3. OVP引腳：過(guò)壓保護(hù)比較器的輸入引腳，通過(guò)外部電阻分壓器連接到輸入電源電壓，用于設(shè)置過(guò)壓關(guān)斷閾值。當(dāng)OVP引腳電壓超過(guò)典型值2.0V時(shí)，GATE引腳被拉低，但控制器不會(huì)鎖存關(guān)閉。當(dāng)OVP引腳電壓降至典型值1.76V以下時(shí)，恢復(fù)正常工作。
4. UVLO引腳：欠壓鎖定比較器的輸入引腳，通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)連接到輸入電源電壓和地。當(dāng)EN信號(hào)為高電平時(shí)，UVLO比較器激活。當(dāng)UVLO引腳電壓超過(guò)典型值1.6V時(shí)，GATE引腳的下拉組件被禁用，允許輸出電壓逐漸上升。內(nèi)部還集成了一個(gè)恒定電流源（典型值為5.5μA），確保在開路情況下UVLO引腳保持低電平。
5. EN引腳：使能輸入引腳，當(dāng)EN引腳電壓低于0.8V時(shí)，設(shè)備進(jìn)入低電流關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)電壓超過(guò)2.0V時(shí)，內(nèi)部偏置電路和UVLO比較器激活。只有當(dāng)EN和UVLO都為高電平時(shí)，GATE引腳的上拉偏置才會(huì)激活。內(nèi)部還集成了一個(gè)恒定電流源（典型值為5μA），確保在開路情況下EN引腳保持低電平。
6. TIMER引腳：定時(shí)電容連接引腳，通過(guò)外部電容設(shè)置VDS和VGS故障檢測(cè)的等待時(shí)間。當(dāng)該引腳電壓超過(guò)2.0V時(shí)，SGM25702將禁用外部MOSFET并保持鎖存關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)EN、UVLO或VIN（POR）輸入先拉低再拉高時(shí)，外部MOSFET恢復(fù)工作。
7. nPG引腳：故障狀態(tài)輸出引腳，為開漏輸出。當(dāng)外部MOSFET的電壓降（VDS）下降到一定程度，使得OUT引腳電壓超過(guò)SENSE引腳電壓時(shí)，nPG指示燈激活，輸出低電平表示無(wú)故障。
8. OUT引腳：輸出電壓檢測(cè)引腳，連接到外部MOSFET的源極，用于內(nèi)部檢測(cè)VDS和VGS條件。
9. GATE引腳：柵極驅(qū)動(dòng)輸出引腳，連接到外部MOSFET，通過(guò)內(nèi)部電荷泵提供恒定電流源（典型值為25μA）為外部MOSFET的柵極充電。GATE和OUT之間的電壓差由內(nèi)部齊納二極管鉗位在17.2V。可以在GATE引腳和GND之間連接一個(gè)電容，以減少輸出電壓的ΔV/Δt。

三、工作原理

啟動(dòng)序列

SGM25702的輸入電壓范圍為5.5V至65V。當(dāng)設(shè)備通過(guò)EN引腳超過(guò)EN_TH_H閾值（2.0V）啟動(dòng)時(shí)，GATE引腳內(nèi)部的25μA（典型值）電流源開始為外部N溝道MOSFET的柵極充電，同時(shí)定時(shí)器電容通過(guò)6μA（典型值）電流源充電。在C_TIMER電壓值達(dá)到2V之前，當(dāng)柵源電壓（VGS）達(dá)到V_GATE_TH閾值（典型值為6.4V）時(shí)，TIMER引腳被內(nèi)部6mA電流源拉低至0.3V，表明VGS序列完成，內(nèi)部5μA電流源激活。此后，C_TIMER由TIMER引腳的內(nèi)部11μA電流源充電，直到N溝道MOSFET的漏源電壓（VDS）下降到限制閾值以下（即無(wú)VDS故障）或C_TIMER電壓值達(dá)到TMRH閾值（典型值為2V）（即故障）。

柵極控制

內(nèi)部電荷泵可以提供高于輸出電壓的內(nèi)部偏置，以提升N溝道MOSFET的柵極電壓。外部N溝道MOSFET的VGS由內(nèi)部齊納二極管限制在17.2V。在正常工作時(shí)，GATE引腳通過(guò)內(nèi)部25μA電流源充電至比OUT引腳高約12.2V。當(dāng)UVLO或EN為低電平時(shí)，2mA的下拉電流源可以防止N溝道MOSFET的漏柵電容引起的串?dāng)_，避免誤導(dǎo)通。當(dāng)C_TIMER充電至2V閾值或OVP電壓超過(guò)OVP_TH閾值時(shí)，GATE引腳被60mA電流源拉低。

狀態(tài)條件

故障定時(shí)器

故障等待時(shí)間可以通過(guò)連接在TIMER和GND之間的C_TIMER設(shè)置，電容將被內(nèi)部電流源充電至V_TMRH閾值以指示故障條件。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，SGM25702將通過(guò)60mA電流源對(duì)GATE引腳放電，關(guān)閉N溝道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引腳進(jìn)行電源循環(huán)。在啟動(dòng)過(guò)程中，有三個(gè)電流源用于對(duì)定時(shí)器電容進(jìn)行充電或放電。當(dāng)EN、UVLO和IN都為高電平時(shí)，一個(gè)恒定的6μA（典型值）電流源對(duì)TIMER引腳充電。當(dāng)VGS序列完成后，另一個(gè)恒定的5μA（典型值）電流源對(duì)TIMER引腳充電，總充電電流為11μA（典型值）。當(dāng)EN、UVLO或IN引腳為低電平，或OVP為高電平時(shí)，6mA下拉電流源激活，對(duì)定時(shí)器電容放電并復(fù)位定時(shí)器。需要注意的是，當(dāng)宣布VDS故障時(shí)，6mA下拉電流源禁用，總充電電流為11μA（典型值），以設(shè)置故障等待時(shí)間。

重啟

SGM25702有兩種不同的重啟條件：

1. 過(guò)流故障（VDS故障）后重啟：當(dāng)宣布VDS故障時(shí)，SGM25702鎖存關(guān)閉并關(guān)閉外部N溝道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引腳先拉低再拉高。
2. OVP事件后重啟：當(dāng)OVP功能激活時(shí)，GATE和OUT引腳被拉低。由于定時(shí)器電容放電，SGM25702在OVP事件期間不會(huì)鎖存關(guān)閉，一旦OVP引腳電壓降至較低閾值（典型值為1.76V）以下，設(shè)備將按照啟動(dòng)序列重啟，無(wú)需對(duì)EN、UVLO或IN引腳進(jìn)行電源循環(huán)。

VDS故障條件

N溝道MOSFET的漏源電壓（VDS）由VDS比較器指示。當(dāng)SENSE電壓超過(guò)OUT電壓時(shí)，VDS比較器觸發(fā)，開漏輸出nPG進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)。然后，TIMER將根據(jù)VGS序列是否完成，由6μA（典型值）或11μA（典型值）電流源充電。在啟動(dòng)過(guò)程中，如果檢測(cè)到VDS故障，nPG將在整個(gè)期間保持高電平。

過(guò)流檢測(cè)

過(guò)流檢測(cè)可以通過(guò)VDS故障比較器實(shí)現(xiàn)。由于比較器監(jiān)控SENSE和OUT引腳之間的電壓差，VDS故障閾值為： [V{DSTH }=left(R{S} × I{SENSE }right)-V{OFFSET }] MOSFET漏源電流閾值為： [I{DSTH }=frac{V{DSTH }}{R_{DSON }}] 其中，R_DSON是N溝道MOSFET的漏源電阻，OFFSET是VDS比較器的偏移電壓，I_SENSE（典型值為16μA）是閾值編程電流。因此，可以通過(guò)SENSE引腳的串聯(lián)電阻設(shè)置外部N溝道MOSFET的過(guò)流閾值。在啟動(dòng)過(guò)程中，芯片允許MOSFET在一定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通過(guò)大電流，該時(shí)間由外部C_TIMER、TIMER的源電流和故障閾值（V_TMRH）共同決定。當(dāng)C_TIMER電壓達(dá)到故障閾值（V_TMRH）時(shí)，等待時(shí)間結(jié)束，柵極以60mA的速率放電。

四、應(yīng)用信息

SGM25702演示板設(shè)計(jì)

SGM25702演示板的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1. 選擇SENSE引腳串聯(lián)電阻R_S：根據(jù)所需的過(guò)流閾值和外部N溝道MOSFET的R_DSON選擇合適的SENSE引腳電阻R_S。
2. 輸出上升時(shí)間：在存在大輸出電容或?qū)敵鲭妷好舾械南掠呜?fù)載的應(yīng)用中，可以通過(guò)在GATE和GND之間放置電容來(lái)減慢輸出電壓的上升時(shí)間。輸出上升時(shí)間由MOSFET的閾值電平、MOSFET的柵極電容以及GATE和GND之間的外部電容決定。在MOSFET緩慢開啟時(shí)，需要仔細(xì)考慮其安全工作區(qū)（SOA），以避免功率損耗損壞設(shè)備。
3. 故障檢測(cè)等待時(shí)間：SGM25702提供故障檢測(cè)等待時(shí)間功能，適用于需要在啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間提供一定浪涌電流的應(yīng)用，如燈具和電機(jī)。可以通過(guò)連接在TIMER和GND之間的低泄漏電容C_TIMER設(shè)置VGS檢測(cè)或過(guò)流檢測(cè)的等待時(shí)間。
4. MOSFET選擇：選擇外部MOSFET時(shí)，需要考慮以下因素：
   • BVDSS應(yīng)大于系統(tǒng)的最大輸入電壓，并留出一定余量以應(yīng)對(duì)線路或負(fù)載瞬變引起的電壓振鈴。
   • MOSFET的最大漏極電流應(yīng)大于SENSE串聯(lián)電阻設(shè)置的過(guò)流閾值。
   • 建議選擇閾值電壓較低的MOSFET，在相同柵極電容條件下更快進(jìn)入歐姆區(qū)域，從而在啟動(dòng)期間使MOSFET保持在SOA內(nèi)運(yùn)行。
   • 需要仔細(xì)考慮MOSFET在啟動(dòng)和關(guān)閉期間可能的最大功率消耗下的SOA和熱特性。
   • 盡量使R_DSON盡可能小，以避免溫度過(guò)高。建議MOSFET的穩(wěn)態(tài)溫度低于+125℃。
   • 如果所選外部MOSFET的最大額定VGS小于16V，必須在柵極和源極之間放置齊納二極管以鉗位VGS。此外，外部齊納二極管的正向電流額定值應(yīng)超過(guò)60mA，以滿足故障條件下傳導(dǎo)下拉電流的要求。
5. 輸入和輸出電容：在實(shí)際應(yīng)用中，功率電路中不可避免地存在寄生電感，主要由電線和印刷電路板的布線引起。所有走線電感在MOSFET快速關(guān)閉時(shí)會(huì)在輸入側(cè)產(chǎn)生正尖峰，在輸出側(cè)產(chǎn)生負(fù)尖峰。因此，需要在輸入和輸出端子使用電容或鉗位電路來(lái)限制這些電壓尖峰的影響。電容值的選擇主要與輸入電壓水平、負(fù)載電流水平、走線寄生電感和MOSFET開關(guān)速度有關(guān)。此外，需要在IN和GND之間放置旁路電容以過(guò)濾噪聲和電壓尖峰。
6. UVLO和OVP：UVLO和OVP都可以通過(guò)電阻分壓器檢測(cè)輸入電壓是否在合適的工作范圍內(nèi)。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，UVLO引腳電壓低于閾值，將通過(guò)GATE引腳的2mA電流源關(guān)閉MOSFET。UVLO閾值具有180mV的滯后。當(dāng)輸入電壓過(guò)高時(shí)，OVP引腳電壓高于閾值，將通過(guò)GATE引腳的60mA電流源關(guān)閉MOSFET。OVP閾值具有240mV的滯后?？梢酝ㄟ^(guò)多種方式設(shè)置輸入電壓的欠壓和過(guò)壓閾值，如使用三個(gè)電阻設(shè)置閾值，或通過(guò)兩個(gè)電阻分壓器分別調(diào)整UVLO和OVP閾值。
7. 電源良好指示器：當(dāng)nPG處于邏輯低電平時(shí)，建議通過(guò)上拉電阻將流入該引腳的電流限制在1mA至5mA范圍內(nèi)。上拉電阻可以連接在IN和nPG之間，任何不超過(guò)65V的正電壓都可以作為上拉電源。
8. 輕負(fù)載和大負(fù)載電容：在連接大輸出電容和輕負(fù)載的情況下，如果設(shè)備因故障鎖存關(guān)閉，GATE引腳內(nèi)部有60mA的電流源。由于輕負(fù)載或高阻抗負(fù)載路徑，負(fù)載電容上的電荷大部分由SGM25702內(nèi)部消耗?？梢酝ㄟ^(guò)在OUT引腳串聯(lián)放電電阻R_0來(lái)限制負(fù)載電容上的放電電流，但需要注意該電阻會(huì)影響過(guò)流閾值，因此需要根據(jù)R_0的變化調(diào)整R_S的值。

反向極性保護(hù)

SGM25702可以通過(guò)二極管或電阻實(shí)現(xiàn)反向極性保護(hù)。在使用二極管實(shí)現(xiàn)反向極性保護(hù)的電路中，使用兩個(gè)源極相連的MOSFET（Q1和Q2）避免輸入反極性時(shí)的反向電流。齊納二極管D3用于保護(hù)設(shè)備免受MOSFET快速關(guān)閉引起的輸入電壓瞬態(tài)損壞。當(dāng)輸入電容足夠大以吸收電壓瞬態(tài)時(shí)，可以忽略D3。為避免輸入反極性時(shí)D3導(dǎo)通，可以將D3與二極管D2串聯(lián)。二極管D1用于保護(hù)IN引腳，防止通過(guò)ESD二極管的反向電流。電阻R1用于保護(hù)GATE引腳，由于G