TPS2420：5A、20V集成FET熱插拔控制器的深度解析

在電子設備的設計中，負載保護和電流控制至關重要。德州儀器（TI）的TPS2420熱插拔控制器，為高達20V的應用提供了高度集成的負載保護解決方案。下面，我們將深入了解這款控制器的特性、應用、電氣參數以及設計要點。

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一、TPS2420特性亮點

1. 集成MOSFET

TPS2420集成了30mΩ的導通電阻（R_ON）的功率MOSFET，這使得它在處理大電流時能夠有效降低功耗，提高效率。例如，在一些對功耗要求較高的應用中，低導通電阻可以減少發熱，延長設備的使用壽命。

2. 寬電壓范圍

支持高達20V的總線操作，最大欠壓開啟閾值為2.9V，適用于低至3.3V的標準總線電壓。這使得它在不同電壓等級的系統中都能靈活應用，如在電信設備、RAID陣列等不同電壓環境下都能穩定工作。

3. 可編程功能

• 可編程故障電流：通過連接到IFLT引腳的電阻，可以設置故障電流閾值（I_FAULT）。不同的電阻值對應不同的故障電流，如R_FLT = 200kΩ時，I_FAULT為0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ時，I_FAULT為1.8 - 2.2A等。
• 可編程硬電流限制：通過連接到IMAX引腳的電阻，可以設置電流限制閾值（I_MAX）。例如，R_IMAX = 100kΩ時，I_MAX為1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ時，I_MAX為2.6 - 3.4A等。
• 可編程故障定時器：通過連接到CT引腳的電容（C_CT）來設置故障時間。公式為(C{CT}=frac{T{FAULT}}{38.9 × 10^{3}})，其中T_FAULT為最小定時器周期（秒），C_CT為電容值（法拉）。

  4. 其他特性

• 內部MOSFET功率限制折返：確保MOSFET在所有工作狀態下都保持在安全工作區（SOA）內，提高了設備的可靠性。
• 模擬電流監測輸出（IMON）：可以通過設置R_IMON電阻，實現對輸入電流的縮放監測。公式為(R{IMON }=frac{63 k Omega × V{AD _ IN (max )}}{LOAD(max )})，方便系統對負載電流進行實時監測。
• 電源良好輸出（PG）和故障輸出指示（FLT）：用于系統管理和順序控制，當輸出電壓在輸入電壓的300mV范圍內時，PG輸出低電平；當故障時間到期或發生熱關斷時，FLT輸出低電平。
• 小封裝：采用4mm × 4mm QFN封裝，節省了電路板空間，適合在小型化設備中使用。
• 寬溫度范圍：結溫范圍為 -40°C至125°C，能夠適應不同的工作環境。
• UL2367認證：文件編號E169910，符合相關安全標準。

二、應用領域

TPS2420廣泛應用于多個領域，包括但不限于：

• RAID陣列：在RAID系統中，熱插拔功能可以方便地更換硬盤，TPS2420可以保護硬盤和電源系統，防止因插拔過程中的電流沖擊而損壞設備。
• 電信設備：在電信設備中，對電源的穩定性和可靠性要求較高，TPS2420可以有效保護負載，減少故障發生的概率。
• 插件電路板：在插件式電路板中，熱插拔功能可以提高系統的可維護性，TPS2420可以確保插拔過程中的安全性。
• 磁盤驅動器和固態硬盤（SSD）：在磁盤驅動器和SSD的啟動和運行過程中，TPS2420可以控制電流，保護設備免受過大電流的損害。
• PCIe：在PCIe接口中，TPS2420可以提供負載保護，確保數據傳輸的穩定性。
• 風扇控制：在風扇控制電路中，TPS2420可以控制風扇的啟動和運行電流，保護風扇和電源系統。

三、電氣參數解析

1. 絕對最大額定值

需要注意的是，超過絕對最大額定值的應力可能會對設備造成永久性損壞，在設計時應確保工作條件在推薦的范圍內。

2. 推薦工作條件

3. 電氣特性

• 輸入電源（V_IN）：欠壓鎖定（V_UVLO）在V_IN上升時，典型值為2.85V，范圍為2.6 - 2.9V。偏置電流在不同條件下有所不同，如V_EN = 2.4V時為25 - 100μA，V_EN = 0V時為3.9 - 5mA。
• 輸入/輸出：導通電阻（R_ON）在特定條件下，典型值為33mΩ，最大值為50mΩ。功率限制（P_LIMIT）在V_IN = 12V，C_OUT = 1000μF，EN從3V變為0V時，最大值為7.5W。反向二極管電壓在V_OUT > V_IN，EN = 5V，I_IN = -1A時，典型值為0.77V，最大值為1V。
• 故障電流（FLT）：故障電流閾值（I_FLT）根據不同的R_FLT電阻值有不同的設置，如R_FLT = 200kΩ時，I_FLT為0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ時，I_FLT為1.8 - 2.2A等。
• 電流限制（IMAX）：電流限制閾值（I_IMAX）根據不同的R_IMAX電阻值有不同的設置，如R_IMAX = 100kΩ時，I_IMAX為1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ時，I_IMAX為2.6 - 3.4A等。
• 故障定時器（CT）：充電/放電電流在不同條件下有不同的值，如I_CT源電流，V_CT = 1V，處于電流限制狀態時，典型值為35μA；I_CT灌電流，V_CT = 1V，驅動CT到1V時，典型值為1.4μA。閾值電壓在V_CT上升時為1.3 - 1.5V，下降時為0.1 - 0.3V。ON/OFF故障占空比在V_VOUT = 0V時，典型值為3.7%。
• 使能（EN）：閾值電壓在V_EN下降時為0.8 - 1.5V，輸入偏置電流在不同條件下有所不同，如V_EN = 2.4V（灌電流）時為 -1.5 - 0.5μA，V_EN = 0.2V（源電流）時為0.5 - 2μA。開啟傳播延遲在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN從2.4V變為0.2V，V_OUT上升到90% × V_IN時，典型值為350μs；關閉傳播延遲在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN從0.2V變為2.4V，V_OUT下降到10% × V_IN時，典型值為30μs。
• 故障（IFLT）：低電平輸出電壓（V_oL）在V_CT = 1.8V，I_FT = 1mA時，典型值為0.2V，最大值為0.4V。泄漏電流（I_IFLT）在V_FLT = 18V時，最大值為1μA。
• 電源良好（PG）：PG閾值（V_PG）在V（V_IN - V_OUT）下降時，典型值為0.5V，范圍為0.4 - 0.65V。滯后為0.1 - 0.4V。低電平輸出電壓（V_oL）在I_PG = 1mA時，典型值為0.2V，最大值為0.4V。泄漏電流（I_PG）在V_PG = 18V時，最大值為1μA。
• 電流監測（IMON）：電流監測輸出與負載電流的比例在不同負載電流下有所不同，如I_OUT = 500mA時，比例為30 - 80A/mA；I_OUT = 2A時，比例為50 - 70A/mA；I_OUT = 4.5A時，比例為56 - 66A/mA。偏移電流（源電流）在I_VIN = 0A時，為 -10 - 0μA。鉗位電壓為2.6 - 2.9V。
• 鎖存功能（LTCH）：低閾值電壓在自動重試模式下為0.8V，高閾值在鎖存模式下為2V。輸入偏置電流在V_LTCH = 3.0V時為 -1 - 1μA，V_LTCH = 0.2V時為 -50 - 0μA。
• 熱關斷：熱關斷溫度在結溫上升時為160°C，滯后為10°C。

四、引腳功能及設計要點

1. 引腳功能

2. 設計要點

• CT引腳：連接電容到地設置故障時間。故障定時器在故障電流閾值超過時啟動，以36μA的電流從地向1.4V的上限閾值充電。如果電容達到上限閾值，內部通態MOSFET關閉。在自動重試版本中，電容以5μA的電流放電到0.2V，然后重新使能通態MOSFET。當設備禁用時，CT通過100kΩ電阻拉到地。
• FLT引腳：開漏輸出，在導致輸出打開的任何條件下拉低，如過載故障超時或熱關斷。當V_IN大于1V時，FLT在欠壓之前開始工作。
• IFLT引腳：連接到地的電阻設置故障電流閾值（I_FAULT）。故障電流閾值和電流限制之間的電流在故障定時器設置的時間內可以無阻礙地流動。IFLT不能設置低于1A，以保持故障電流限制閾值的準確性。
• IMAX引腳：通過連接到地的電阻設置電流限制閾值（I_MAX）。I_MAX必須設置得足夠大于I_FAULT，以確保即使考慮公差，I_MAX也不會小于I_FAULT。
• EN引腳：拉低該引腳使設備使能。輸入閾值具有滯后性，允許用戶使用外部RC電路編程啟動延遲。EN通過10MΩ電阻拉到V_IN，通過16.8MΩ電阻拉到地，并通過7V齊納二極管鉗位到地。
• VIN引腳：TPS2420設備的輸入電壓，推薦工作電壓范圍為3V到18V。所有V_IN引腳應連接在一起并連接到電源。
• VOUT引腳：TPS2420設備的輸出連接，開啟時輸出電壓近似為(V{OUT }=V{IN }-0.04 × I_{OUT })。所有V_OUT引腳必須連接在一起并連接到負載。
• LTCH引腳：拉低時，TPS2420在故障后嘗試重啟；浮空或拉高時，設備在故障后鎖存關閉。該引腳內部鉗位在3V，并通過串聯100kΩ電阻的二極管拉到內部3V電源。
• PG引腳：低電平有效，開漏輸出，電源良好表示無故障條件且輸出電壓在輸入電壓的0.5V范圍內。當V_IN大于1V時，PG在欠壓之前開始工作。
• IMON引腳：I_VIN的縮放模擬輸出。根據允許的最大A/D輸入電壓（