深入解析LM25061：低電壓功率限制熱插拔控制器的設計與應用

在電子設備的設計中，熱插拔功能至關重要，它允許在系統運行時安全地插入和移除電路板，提高了系統的可維護性和靈活性。TI的LM25061作為一款正低壓功率限制熱插拔控制器，為這一需求提供了出色的解決方案。本文將深入探討LM25061的特性、工作原理、應用以及設計要點，幫助電子工程師更好地理解和應用這款控制器。

文件下載：lm25061.pdf

一、LM25061特性概覽

1. 工作范圍

LM25061的工作電壓范圍為+2.9V至+17V，具有20V的瞬態承受能力，能適應多種電源環境。

2. 浪涌電流限制

在電路板插入帶電電源時，它能有效限制浪涌電流，減少系統電壓下降和瞬態干擾，確保系統穩定運行。

3. 可編程功能

• 最大功率耗散：可通過外部電阻設置外部串聯N溝道MOSFET的最大功率耗散，確保其在安全工作區域（SOA）內運行。
• 電流限制：電流限制閾值可編程，當檢測電阻（(R_{S})）兩端電壓達到50mV時，負載電流被限制。
• 欠壓鎖定（UVLO）：可編程欠壓鎖定閾值和遲滯，確保系統在合適的電壓下啟動。
• 輸出電壓監控：可設置輸出電壓監控閾值和遲滯，通過Power Good（PGD）引腳指示輸出電壓狀態。

  4. 故障保護功能

• 斷路器功能：當負載電流急劇增加，超過約兩倍電流限制閾值（95mV/(R_{S})）時，快速關閉MOSFET，保護系統安全。
• 故障定時器：可編程故障定時器，避免誤觸發，在故障發生時采取相應措施。

  5. 其他特性

• 內部高端電荷泵和柵極驅動器，用于驅動外部N溝道MOSFET。
• 提供鎖存故障和自動重啟兩種版本，滿足不同應用需求。

二、引腳功能詳解

三、工作原理分析

1. 上電序列

• 當VIN電壓初始增加時，外部N溝道MOSFET（Q1）通過GATE引腳的260mA下拉電流保持關斷，防止MOSFET因米勒電容充電而誤開啟。
• 當VIN電壓達到POR閾值時，插入時間開始，TIMER引腳的電容（(C_{T})）由5.5μA電流源充電，Q1通過GATE引腳的2mA下拉電流保持關斷。
• 插入時間結束后，當(V_{SYS})超過UVLO閾值時，GATE引腳開啟Q1，電荷泵提供20μA電流為Q1的柵極電容充電。
• 在輸出電壓上升過程中，LM25061監控MOSFET Q1的漏極電流和功率耗散，通過浪涌電流限制和功率限制電路控制負載電流。

2. 柵極控制

• 正常工作時，GATE引腳通過內部20μA電流源保持Q1柵極充電，電壓由內部19.5V齊納二極管限制。
• 系統電壓初始施加時，GATE引腳通過260mA下拉電流保持低電平，防止MOSFET誤開啟。
• 插入時間內，GATE引腳通過2mA下拉電流保持低電平，確保Q1在插入時間結束前保持關斷。
• 在浪涌電流限制或功率限制模式下，GATE引腳電壓被調制以控制電流或功率耗散，同時TIMER引腳電容充電。
• 如果浪涌限制條件持續，TIMER引腳電壓達到1.72V時，GATE引腳通過2mA下拉電流拉低，Q1關閉。
• 當系統輸入電壓低于UVLO閾值時，GATE引腳通過2mA下拉電流拉低，關閉Q1。

3. 電流限制

當檢測電阻（(R{S})）兩端電壓達到50mV時，電流限制閾值達到，GATE電壓被控制以限制MOSFET Q1的電流。在電流限制期間，故障定時器啟動。若負載電流在故障超時時間結束前降至電流限制閾值以下，LM25061恢復正常運行。為確保正常工作，(R{S})電阻值應不大于200mΩ。

4. 斷路器功能

當負載電流急劇增加，檢測電阻（(R{S})）中的電流超過約兩倍電流限制閾值（95mV/(R{S})）時，GATE引腳的260mA下拉電流迅速關閉Q1，開始故障超時時間。當(R_{S})兩端電壓降至95mV以下時，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。

5. 功率限制

LM25061通過監測MOSFET Q1的漏源電壓（SENSE到OUT）和通過檢測電阻（(R_{S})）的漏極電流，確定Q1的功率耗散。將電流和電壓的乘積與PWR引腳電阻設置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的電流。在功率限制期間，故障定時器啟動。

6. 故障定時器與重啟

當電流限制或功率限制閾值達到時，Q1的柵源電壓被調制以調節負載電流和功率耗散。此時，80μA故障定時器電流源為TIMER引腳的外部電容（(C_{T})）充電。

• LM25061 - 1：在故障超時時間結束時，GATE引腳鎖定低電平，(C_{T})通過2.5μA故障電流吸收器放電至地。GATE引腳通過2mA下拉電流保持低電平，直到通過外部控制重新啟動。
• LM25061 - 2：提供自動重啟序列，故障超時時間結束后，TIMER引腳在1.72V和1V之間循環七次。當TIMER引腳在第八次高到低的斜坡中達到0.3V時，GATE引腳的20μA電流源開啟Q1。若故障仍然存在，故障超時和重啟序列將重復。

7. 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電源電壓（(V{SYS})）大于可編程欠壓鎖定（UVLO）電平時，串聯MOSFET（Q1）開啟。通常通過電阻分壓器（R1 - R2）設置UVLO電平。當(V{SYS})低于UVLO電平時，UVLO引腳的內部20μA電流源開啟，Q1通過GATE引腳的2mA下拉電流保持關斷。當(V_{SYS})升高，UVLO引腳電壓超過閾值時，20μA電流源關閉，提供遲滯。

8. 關機控制

可通過將UVLO引腳拉至閾值以下，使用開集電極或開漏器件遠程關閉負載電流。釋放UVLO引腳后，LM25061以浪涌電流和功率限制開啟負載電流。

9. 電源良好引腳（PGD）

PGD引腳連接到內部N溝道MOSFET的漏極，需要外部上拉電阻。當FB引腳電壓超過閾值時，PGD引腳輸出高電平。當UVLO引腳低于閾值時，PGD輸出低電平；當VIN電壓小于1.6V時，PGD輸出高電平。

四、應用設計要點

1. 電流限制電阻（(R_{S})）選擇

根據所需的電流限制閾值（(I{LIM})），使用公式(R{S} = 50 mV / I{LIM})計算(R{S})的值。為確保正常工作，(R{S})應不大于200mΩ。同時，考慮電阻的功率額定值和浪涌能力，建議使用開爾文連接技術連接(R{S})到LM25061。

2. 功率限制閾值設置

通過PWR引腳的電阻（(R{PWR})）設置MOSFET Q1的最大功率耗散，計算公式為(R{PWR}=2.32 × 10^{5} × R{S} × P{FET(LIM)})，其中(P{FET(LIM)})是所需的功率限制閾值。為確保功率限制功能正常工作，(R{PWR})應≤150kΩ。

3. 開啟時間計算

• 僅電流限制：若電流限制閾值小于最大功率限制閾值對應的電流，開啟時間(t{ON}=frac{V{SYS} × C{L}}{I{LIM}})，其中(C_{L})是負載電容。
• 電流限制和功率限制：若電流限制閾值高于最大功率限制閾值對應的電流，開啟時間(t{ON}=frac{C{L} × V{SYS}^{2}}{2 × P{FET(LIM)}}+frac{C{L} × P{FET(LIM)}}{2 × I_{LIM}^{2}})。

4. MOSFET選擇

• (BV {DSS})額定值應大于最大系統電壓（(V{SYS})），并考慮插入或移除電路板時的振鈴和瞬態。
• 最大連續電流額定值應基于電流限制閾值（50mV/(R_{S})）。
• 脈沖漏極電流規格（(I{DM})）應大于斷路器功能的電流閾值（95mV/(R{S})）。
• 根據器件的SOA圖表和熱特性確定最大功率耗散閾值，使用LM25061 - 2時，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。
• (R_{DS(on)})應足夠低，以確保最大負載電流下的功率耗散不會使結溫超過制造商的建議。
• 當電路輸入電壓處于LM25061工作范圍的低端（<3.5V）或高端（>14V）時，所選MOSFET應具有合適的柵源閾值電壓。
• 若所選MOSFET的(V_{GS})額定值小于19.5V，需在其柵源之間添加外部齊納二極管，齊納二極管的正向電流額定值應至少為260mA。

5. 定時器電容（(C_{T})）選擇

• 插入延遲：插入時間從VIN達到POR閾值開始，內部5.5μA電流源將(C{T})從0V充電至1.72V，所需電容值(C{T}=frac{t{1} × 5.5 mu A}{1.72 V}=t{1} × 3.2 × 10^{-6})。
• 故障超時時間：
  • LM25061 - 1：(C{T}=frac{t{FAULT} × 80 mu A}{1.72 V}=t_{FAULT} × 4.65 × 10^{-5})
  • LM25061 - 2：故障重啟周期的故障超時時間約比初始故障超時時間短18%，(C{T}=frac{t{FAULT} × 80 mu A}{1.42 V}=t_{FAULT} × 5.63 × 10^{-5})
• 重啟時間：LM25061 - 2的重啟時間(t{RESTART }=C{T} timesleft[frac{7 × 0.72 V}{2.5 mu A}+frac{7 × 0.72 V}{80 mu A}+frac{1.42 V}{2.5 mu A}right])

6. UVLO編程

• 選項A：使用兩個電阻（R1，R2）設置UVLO閾值和遲滯，計算公式為(R 1=frac{V{UVH}-V{UVL}}{20 mu A})，(R 2=frac{1.17 V × R 1}{V_{UVL}-1.17 V})。
• 選項B：將UVLO引腳連接到VIN，當VIN電壓達到POR閾值（≈2.6V）時，Q1開啟。

7. 電源良好和FB引腳設置

使用兩個電阻（R3，R4）設置PGD引腳的輸出閾值，計算公式為(R 3=frac{V{PGDH}-V{PGDL}}{22 mu A})，(R 4=frac{1.17 V × R 3}{V_{PGDH}-1.17 V})。

五、PCB設計指南

• 將LM25061靠近電路板輸入連接器放置，減少連接器到FET的走線電感。
• 在LM25061的VIN和GND引腳附近放置1000pF小電容，減少輸入電源線上的瞬態干擾。
• 檢測電阻（(R_{S})）應靠近LM25061，并使用開爾文連接技術。
• 高電流路徑和返回路徑應平行且靠近，減少環路電感。
• 各組件的接地連接應直接連接到LM25061的GND引腳，再單點連接到系統地。
• 為串聯MOSFET（Q1）提供足夠的散熱措施，減少開關過程中的應力。
• 電路板邊緣連接器可設計為在電路板移除時先關閉LM25061，再斷開電源。

六、系統考慮因素

• 熱插拔電路插入的連接器電源側應存在電容，以吸收負載電流關斷時產生的瞬態。
• 若負載具有電感特性，需在LM25061輸出端跨接肖特基二極管和負載電容，限制OUT引腳的負向偏移。

七、總結

LM25061作為一款功能強大的低電壓功率限制熱插拔控制器，為電子工程師提供了可靠的熱插拔解決方案。通過合理選擇外部組件、優化PCB設計和考慮系統因素，可以充分發揮LM25061的性能，確保系統的穩定性和可靠性。在實際應用中，工程師們還需根據具體需求進行細致的設計和測試，以實現最佳的系統性能。你在使用LM25061的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。