深度剖析 TPS212x：雙輸入單輸出電源多路復用器的卓越性能與應用

在電子設備的電源管理領域，雙輸入單輸出（DISO）電源多路復用器扮演著至關重要的角色。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的 TPS212x 系列電源多路復用器，包括 TPS2120 和 TPS2121，了解它們的特性、應用場景以及設計要點。

文件下載：tps2120.pdf

1. 產品概述

TPS212x 是一系列雙輸入單輸出（DISO）電源多路復用器，適用于具有多個電源的各種系統。這些設備能夠自動檢測、選擇并在可用輸入之間無縫切換，可自動優先選擇最高輸入電壓，也可手動分配給較低電壓輸入，以支持 ORing 和源選擇操作。

1.1 主要特性

• 寬工作范圍：工作電壓范圍為 2.8 V 至 22 V，絕對最大輸入電壓為 24 V。
• 低導通電阻：TPS2120 的典型導通電阻為 62 mΩ，TPS2121 為 56 mΩ。
• 可調節功能：包括過壓監控器（OVx）和優先級監控器（PR1），精度均小于 ±5%。TPS2121 還支持外部電壓參考（CP2），精度小于 1%。
• 輸出電流限制：TPS2120 的輸出電流限制范圍為 1 A - 3 A，TPS2121 為 1 A - 4.5 A。
• 快速輸出切換：TPS2121 的典型切換時間為 5 μs。
• 低靜態電流：啟用輸入時典型值為 200 μA，禁用輸入時典型值為 10 μA。
• 手動輸入源選擇：支持通過 OVx 進行手動輸入源選擇。
• 過溫保護：具備過溫保護功能，確保設備在高溫環境下的可靠性。

1.2 應用場景

• 備份和備用電源：在主電源故障時自動切換到備用電源，確保設備持續運行。
• 輸入源選擇：根據不同的電源條件選擇合適的輸入源。
• 多電池管理：管理多個電池的充電和放電過程。
• EPOS 和條形碼掃描儀：為這些設備提供穩定的電源。
• 建筑自動化和監控：確保系統在各種電源條件下的穩定運行。
• 跟蹤和遠程信息處理：為相關設備提供可靠的電源支持。

2. 產品詳細特性分析

2.1 輸入穩定時間和輸出軟啟動控制（SS）

TPS212x 會自動選擇第一個有效的輸入源（INx > UV 且 INx < OV），并使用外部電容（CSS）作為定時器等待輸入穩定。穩定時間結束后，CSS 繼續充電以設置輸出斜率，實現軟啟動。當第二個輸入源變得有效時，CSS 會再次用于第二個穩定時間，之后設備會決定是否切換到第二個輸入源。

2.2 有源電流限制（ILM）

負載電流始終受到監控，當負載電流超過由 RILM 電阻編程的電流限制觸發點 ILM 時，設備會在 (t{ILM}) 內調節電流。可使用以下公式計算所需的 RILM 值： [I{LM}=frac{69.1}{R{LLM}^{0.861}}]（TPS2120） [I{LM}=frac{65.2}{R_{LM}^{0.861}}]（TPS2121）

2.3 短路保護

在瞬態短路事件中，設備內置的快速跳閘過流保護（OCP）比較器會在電流超過閾值 (I_{OCP})（約為編程電流限制的 2.4 倍）時，在 1 μs 內關閉通過設備，并保持內部 FET 關閉約 25 ms，之后設備會重新啟動。

2.4 熱保護（TSD）

TPS212x 具有內置的絕對熱關斷和相對熱關斷功能，以確保電源多路復用器的最大可靠性。絕對熱關斷在結溫超過 160°C（典型值）時禁用功率 FET，設備在 (T_{J}<[T(TSD)-10°C]) 約 25 ms 后自動恢復。相對熱關斷在功率 FET 溫度急劇上升時保護設備，在 FET 冷卻 20°C 約 25 ms 后自動恢復。

2.5 過壓保護（OVx）

IN1 和 IN2 均具備輸出過壓保護功能，OVx 引腳的 VREF 比較器可獨立調整每個輸入的過壓保護閾值。當發生過壓時，相應通道會立即關閉，若另一個輸入電壓有效，則支持快速切換到該輸入。

2.6 快速反向電流阻斷（RCB）

每個通道都具有始終開啟的反向電流阻斷功能。如果輸出電壓被強制高于所選輸入 (V{IRCB})，通道會在 (t{RCB}) 內關閉以阻止反向電流 (I{RCB})。當輸出電壓降至 (V{IN}) 的 (V_{RCB}) 范圍內時，所選通道會迅速重新開啟，以避免快速切換期間不必要的電壓降。

2.7 輸出電壓下降和快速切換控制（TPS2121 專用）

TPS2121 在輸入穩定和軟啟動時間后，利用快速切換來最小化輸出電壓下降。切換期間的電壓下降量是輸出負載電流（IOUT）和負載電容（COUT）的函數，可使用以下公式計算切換期間的最小輸出電壓： [V{OUT,MIN }=V{SW}-V{DIP }] [V{DIP }=t{S W} timesleft(frac{I{OUT }}{C_{OUT }}right)]

2.8 輸入電壓比較器（VCOMP）

如果 PR1 和 CP2 都小于 VREF，設備會使用兩個輸入之間的內部比較器來確定優先級源。VCOMP 配置確保在輸入電壓相等時 IN2 優先。如果 IN2 低于 VCOMP 滯后，則 IN1 具有優先級。

3. 設備功能模式

3.1 TPS2120 功能模式

TPS2120 的輸出源選擇取決于輸入電壓、PR1 和 SEL 引腳的狀態。如果只有一個輸入電壓有效，則該輸入為輸出供電；如果兩個輸入都無效，則輸出為高阻態（Hi-Z）。ST 引腳在輸出為 Hi-Z 或 IN1 時拉高，在 IN2 為輸出時拉低。

3.2 TPS2121 功能模式

TPS2121 的功能模式與 TPS2120 類似，但增加了 CP2 引腳。當 CP2 拉低時，設備忽略該引腳；當 CP2 拉高時，啟用快速切換，并與 PR1 進行比較以確定輸出源。

4. 應用與實現

4.1 手動切換

可通過外部控制器（如 MCU）手動選擇兩個輸入源。在這種模式下，TPS2120 可通過 SEL 引腳覆蓋 PR1/VREF 比較，TPS2121 則通過 CP2 引腳與 PR1 比較來確定輸出源。

4.2 帶優先級的自動切換（XCOMP）

適用于需要不間斷電源的應用。例如，當 12-V 主電源下降到 7.6 V 以下時，設備會自動切換到 5-V 輔助電源。通過配置外部比較器控制方案（XCOMP），比較 PR1 和 CP2 的電壓來確定輸出源。

4.3 帶優先級的自動無縫切換（XREF）

用于展示兩個 12-V 電源的冗余供電。當主電源下降時，設備會無縫切換到備用電源。通過連接外部精密調節器到 CP2 引腳，以最小化電壓切換誤差，實現更無縫的切換。

4.4 最高電壓操作（VCOMP）

設備使用內部比較器確定優先級源，當 PR1 和 CP2 都低于 VREF 時，優先選擇最高輸入電壓。如果兩個輸入電壓相等，VCOMP 和滯后確保 IN2 優先。

4.5 反向極性保護

通過在 TPS212x 的 GND 引腳連接二極管，可防止反向電流流入設備，保護系統免受輸入電源接線錯誤的影響。

4.6 熱插拔

在熱插拔事件中，電纜和輸入跡線的固有電感可能導致輸入引腳電壓尖峰，超過設備的絕對最大額定值。可使用瞬態電壓抑制（TVS）二極管來保護設備免受電壓瞬變的影響。

5. 電源供應建議與布局

5.1 電源供應建議

IN1、IN2 和 OUT 跡線應足夠寬，以容納通過設備的電流。這些引腳的旁路電容應盡可能靠近設備放置，推薦使用具有 X5R 或 X7R 電介質的低 ESR 陶瓷電容。為避免輸出電壓下降，可增加 OUT 引腳的電容；如果電源無法處理輸出電容引起的浪涌電流瞬變，可使用更高的輸入電容。

5.2 布局指南

使用短而寬的輸入和輸出平面跡線。對于高電流應用，在輸入和輸出引腳下方放置過孔，以避免電流密度和熱阻瓶頸。

總結

TPS212x 系列電源多路復用器以其豐富的特性和靈活的應用模式，為電子工程師在電源管理設計中提供了強大的工具。無論是在備份電源、多電池管理還是其他需要電源切換的應用中，TPS212x 都能確保系統的穩定運行。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇設備，并注意電源供應和布局的優化，以充分發揮 TPS212x 的性能優勢。你在使用 TPS212x 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。