LM25069：正低壓功率限制熱插拔控制器詳解

在電子設計領域，熱插拔控制器是保障系統穩定運行和安全的關鍵組件。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用優勢。

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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，減少對系統中其他電路的影響，防止可能的意外復位。同時，在電路卡移除時，也能實現受控關機。

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，限制系統電壓下降和瞬態。
• 可編程功率耗散：可對外部串聯 N 溝道 MOSFET 的最大功率耗散進行編程，使其在安全工作區（SOA）內運行。
• 可調電流限制：通過檢測電流檢測電阻上的電壓，實現對負載電流的精確控制。
• 斷路器功能：在嚴重過流事件發生時，迅速切斷串聯通過器件，保護系統安全。
• 內部電荷泵和柵極驅動器：為外部 N 溝道 MOSFET 提供驅動電壓，增強其性能。
• 可調欠壓和過壓鎖定：可設置欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）閾值及滯回，確保系統在合適的電壓范圍內工作。
• 插入定時器和故障定時器：插入定時器允許系統連接后振鈴和瞬態平息；可編程故障定時器避免誤觸發。
• POWER GOOD 輸出：指示輸出電壓是否在輸入電壓的 1.3V 范圍內，方便用戶監控系統狀態。
• 多種版本可選：有鎖存故障和自動重啟兩種版本可供選擇，滿足不同應用需求。

1.2 應用領域

• 服務器背板系統：保障服務器在熱插拔過程中的穩定運行，減少對其他組件的影響。
• 基站配電系統：確保基站電源的可靠分配，提高系統的穩定性和可靠性。
• 固態斷路器：實現對電路的快速保護，防止過流損壞設備。

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 引腳的內部 260mA 下拉電流將外部 N 溝道 MOSFET（Q1）保持關斷狀態，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 下拉電流保持關斷。插入時間結束后，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 范圍內時，浪涌限制結束，PGD 引腳變為高電平。

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 的柵極由內部 20μA 電流源保持充電，GATE 引腳電壓（相對于地）由內部 19.5V 齊納二極管限制。系統電壓最初施加時，GATE 引腳由 260mA 下拉電流保持低電平，防止 MOSFET 通過其漏 - 柵電容意外導通。插入時間內，GATE 引腳由 2mA 下拉電流保持低電平，確保 Q1 處于關斷狀態。浪涌限制期間，Q1 的柵極電壓被調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，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束前降至電流限制閾值以下，LM25069 恢復正常運行。為確保正常運行，RS 電阻值不應大于 200mΩ，否則可能導致電流限制控制回路不穩定。

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 關閉。

3.5 功率限制

LM25069 的一個重要特性是 MOSFET 功率限制。通過監測 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 電壓被調制以調節 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 - 源電壓被調制以調節負載電流和 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 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達到 1.72V，GATE 引腳的 2mA 下拉電流將 Q1 關閉。后續的重啟程序取決于使用的 LM25069 版本：

• LM25069 - 1：在故障超時周期結束時，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 之間循環七次。每次循環的周期由 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。

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時，串聯通過 MOSFET（Q1）被啟用。通常，通過電阻分壓器（R1 - R3）設置 UVLO 水平。當 VSYS 低于 UVLO 水平時，UVLO 處的內部 20μA 電流源啟用，OVLO 處的電流源關閉，Q1 由 GATE 引腳的 2mA 下拉電流保持關斷。當 VSYS 升高，UVLO 引腳電壓超過其閾值時，UVLO 處的 20μA 電流源關閉，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 下拉電流關閉，切斷負載電源。當 OVLO 引腳高于其閾值時，OVLO 處的內部 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）連接到內部 N 溝道 MOSFET 的漏極，能夠在關斷狀態下承受 17V 電壓和高達 20V 的瞬態電壓。PGD 需要一個外部上拉電阻連接到適當的電壓，以向后續電路指示狀態。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 時變為低電平。當 OUT 引腳電壓升高到 SENSE 引腳電壓的 1.3V 范圍內（VDS < 1.3V）時，PGD 變為高電平；當 Q1 的 VDS 高于 1.9V 時，PGD 變為低電平。若 UVLO 引腳低于其閾值或 OVLO 引腳高于其閾值，禁用 LM25069，PGD 在 10μs 內變為低電平，無需等待 OUT 引腳電壓下降。

四、應用信息

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）兩端的電壓來監測外部 MOSFET（Q1）中的電流。所需的電阻值根據公式 (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 不應大于 200mΩ。同時，應考慮電阻的功率額定值和浪涌能力，連接 RS 到 LM25069 時應使用 Kelvin 技術，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 的柵極被調制以調節負載電流，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置得比開啟時間長，以防止在開啟序列完成之前發生故障關機。

4.4 MOSFET 選擇

選擇外部 MOSFET（Q1）時，應考慮以下標準：

• 擊穿電壓（BVDSS）：額定值應大于最大系統電壓（VSYS），并考慮插入或移除電路板時可能出現的振鈴和瞬態。
• 最大連續電流：額定值應基于電流限制閾值（50mV/RS），而不是最大負載電流，因為電路可以連續接近電流限制閾值運行。
• 脈沖漏極電流（IDM）：規格必須大于斷路器功能的電流閾值（95mV/RS）。
• 安全工作區（SOA）：應參考器件的 SOA 圖表和熱特性，確定由 RPWR 電阻設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受到應力。
• 導通電阻（RDS(on)）：應足夠低，以確保在最大負載電流下的功率耗散不會使其結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