SGM25711B：2.5V 至 18V 高效熱插拔控制器的全面解析
SGM25711B：2.5V 至 18V 高效熱插拔控制器的全面解析
在電子設備的設計中，熱插拔功能至關重要，它能讓設備在帶電狀態下安全地插入或拔出電路板，大大提高了系統的可維護性和可靠性。SGM25711B 作為一款高性能的熱插拔控制器，為工程師們提供了強大的解決方案。今天，我們就來深入探討一下 SGM25711B 的特性、應用以及設計要點。
文件下載：SGM25711B.pdf
一、SGM25711B 概述
SGM25711B 是一款熱插拔控制器，允許電路板安全地插入或移除帶電背板。它通過內部電路驅動外部 N - MOSFET 開關，控制 2.5V 至 18V 的電源電壓。該控制器具有可編程電流限制、功率限制和故障時間設置功能，確保外部 MOSFET 始終在安全工作區域內運行。
特性亮點
- 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為 2.5V 至 18V，適用于多種電源系統。
- 可編程 MOSFET SOA 保護：可根據實際需求設置 MOSFET 的安全工作區域，提高系統的可靠性。
- 精確的電流限制：在任何時候都能精確限制電流，確保系統穩定運行。
- 低電流檢測閾值：25mV 的精確電流檢測閾值，允許使用更小的檢測電阻，從而降低功率損耗和尺寸。
- 多種輸出功能：具備電源良好輸出（Power Good Output）和故障輸出功能，方便進行狀態監測和負載保護。
- 快速斷路器：提供短路保護，確保系統在短路情況下能快速切斷電路。
- 可編程故障定時器：可設置故障時間，當負載電流超過設定值且持續時間超過編程時間時，外部 MOSFET 將關閉，并在故障超時延遲后自動重啟。
- 可編程欠壓閾值：可根據系統需求設置欠壓閾值，確保系統在電壓不足時能正常工作。
- 綠色 MSOP - 10 封裝：符合環保要求，且封裝尺寸小，節省電路板空間。
二、引腳配置與功能
引腳配置
| SGM25711B 采用 MSOP - 10 封裝，其引腳配置如下： | 引腳編號 | 引腳名稱 | 功能描述 |
|---|---|---|---|
| 1 | nPG | 電源良好指示引腳（低電平有效，開漏輸出），外部 MOSFET 的電壓決定其狀態。 | |
| 2 | EN | 使能引腳，高電平有效，連接到電阻分壓器。 | |
| 3 | PROG | 功率限制可編程引腳，連接到該引腳的功率限制電阻決定外部 MOSFET 的最大允許耗散。 | |
| 4 | TIMER | 故障定時器引腳，該引腳上的外部電容設置插入延遲時間和故障時間延遲，芯片的重啟時間也由該電容控制。 | |
| 5 | GND | 接地引腳。 | |
| 6 | OUT | 電源輸出引腳，連接到輸出（即外部 MOSFET 源極），芯片通過該引腳監測 MOSFET 的 VDS 電壓，以限制 MOSFET 功率并相應控制 nPG 信號。 | |
| 7 | GATE | 柵極驅動輸出引腳，連接到外部 MOSFET 的柵極。 | |
| 8 | SENSE | 電流檢測引腳，通過檢測輸入引腳到該引腳的電壓來測量流入檢測電阻的電流。 | |
| 9 | VCC | 電源輸入引腳，建議在該引腳附近放置一個小的旁路電容。 | |
| 10 | nFLT | 故障事件指示引腳，當外部 MOSFET 因過載故障定時器關閉時，該引腳變為低電平。 |
引腳功能詳細解析
- VCC 引腳：具有三個功能，一是為芯片供電；二是作為上電復位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能的輸入端子；三是 VCC 引腳的引線應直接連接到檢測電阻的正端，以便更準確地檢測流過電阻的電流，建議使用 0.1μF 的電容。
- EN 引腳：當 EN 引腳的電壓大于 1.35V 時，柵極驅動器開始工作。可添加外部分壓電阻來監測輸入欠壓。當芯片鎖定時，下拉然后上拉 EN 引腳可重啟芯片，該引腳不能浮空。
- GATE 引腳：作為 MOSFET（M1）的柵極驅動，電荷泵以 33μA 的電流為柵極充電。在正常運行時，VCC 近似等于 Vout，V(GATE - VCC) 被鉗位到最大 13.5V。在啟動期間，放大器調節輸出電流以控制柵極電壓并限制浪涌電流。在浪涌期間，TIMER 引腳以 10μA 的電流為電容充電，直到 V(GATE - VCC) 電壓超過設定電壓（當 VCC = 12V 時為 5.6V），若 V(GATE - VCC) 大于定時器設定電壓，TIMER 引腳停止提供電流并開始吸收電流。該引腳在三種情況下會被禁用：
- 當 V(VCC - SENSE) > 25 mV、VEN 低于下降閾值電壓或 VCC 達到 UVLO 的下限閾值時，11mA 的電流吸收器將下拉 GATE 電壓。
- 當 VEN 小于其下降閾值或輸出短路且 V(VCC - SENSE) 超過 61.5mV 時，GATE 引腳通過 3.2Ω 電阻下拉，芯片快速跳閘關閉，仍有 11mA 的下拉電流關閉 MOSFET。
- 若芯片溫度超過閾值，芯片通過 17.5kΩ 電阻將 GATE 電荷放電到 GND。在自動重試模式下，芯片將定期重啟。GATE 和 GND（或 OUT）引腳之間不應連接電阻。
- nFLT 引腳：該引腳用于指示故障事件。當 SGM25711B 在電流限制范圍內保持足夠長的時間，故障定時器到期時，低電平開漏輸出將被拉低。SGM25711B 工作在自動重試模式，故障超時將停止外部 MOSFET（M1）的運行，并在 16 個打嗝周期后嘗試重啟。當故障未消除時，打嗝繼續，此時該引腳將被拉低。如果 M1 被 EN、OTSD 或 UVLO 禁用，nFLT 引腳將不會被置位。該引腳在不需要時可以懸空。
- OUT 引腳：可測量 MOSFET 的漏源電壓，功率限制功能也需要該引腳。建議放置肖特基二極管以防止負壓，同時該引腳需要連接低 ESR 陶瓷電容到地以旁路高頻信號。
- nPG 引腳：當 MOSFET 的漏源電壓小于 230mV 且經過 4ms 的消抖時間后，該引腳的漏極被下拉。當 VDS > 315 mV 時，變為開漏輸出。即當 M1 的 VDS 上升時，經過相同的消抖時間后，該引腳呈現高阻態。
- PROG 引腳：PROG 和 GND 引腳之間的電阻設置 MOSFET 允許的最大功率。不要直接向 PROG 引腳施加電壓。當不使用恒定功率限制功能時，用 4.99kΩ 電阻將該引腳連接到地。若需要設置恒定功率，可參考公式 (R{PROG }=frac{3600}{P{LIM} × R{SENSE }}) 計算，其中 (P{LIM }) 是 M1 的功率限制值，(R_{SENSE }) 是 VCC 和 SENSE 引腳之間的檢測電阻。
- SENSE 引腳：該引腳是檢測電阻的另一端，通過檢測檢測電阻兩端的電壓來限制電流，可參考公式 (I{LIM }
- TIMER 引腳：TIMER 和 GND 之間連接一個電容來計時故障時間。當過載發生時，TIMER 以 10μA 的電流充電，否則以 10μA 的電流放電。如果 TIMER 達到 1.35V，MOSFET 將被關閉。該電容設置故障后的重啟時間，建議使用最小 1nF 的電容以確保定時器正常工作，電容值可通過公式 (C{TIMER }=frac{10 mu A}{1.35 V} × t{nFLT }) 計算。
三、電氣特性與性能
電氣特性
| SGM25711B 的電氣特性在 - 40℃ 至 + 125℃ 的溫度范圍內進行了測試，典型值在 (T_{J}= + 25^{circ} C) 時給出。以下是部分關鍵電氣特性： | 參數 | 條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VCC UVLO 閾值電壓（上升） | 2.25 | 2.35 | 2.45 | V | ||
| VCC UVLO 閾值電壓（下降） | 2.17 | 2.27 | 2.37 | V | ||
| 滯回 | 85 | mV | ||||
| 使能時的電源電流 | 0.32 | 0.5 | mA | |||
| 禁用時的電源電流 | VEN = 0V | 4 | μA | |||
| EN 使能閾值電壓（下降） | 1.25 | 1.3 | 1.35 | V | ||
| 滯回 | 55 | mV | ||||
| nFLT 輸出低電壓（吸收 2mA） | 35 | 65 | mV | |||
| nPG nPG 閾值電壓（SENSE - OUT 上升，nPG 變高） | 235 | 315 | 395 | mV | ||
| 滯回 | 85 | mV | ||||
| PROG 偏置電壓（提供 10μA） | 0.65 | 0.68 | 0.71 | V | ||
| TIMER 提供電流（VTIMER = 0V） | 8 | 10 | 12 | μA | ||
| OUT 輸入偏置電流（VOUT = 12V） | 1 | μA | ||||
| GATE 輸出電壓（VOUT = 12V） | 24.5 | 25.5 | 26.5 | V | ||
| 鉗位電壓（注入 10μA 到 GATE） | 12 | 13.5 | 15 | V | ||
| SENSE 輸入偏置電流（VSENSE = 12V，吸收電流） | 15 | 25 | μA | |||
| 電流限制閾值（VOUT = 12V， - 40℃ ≤ TJ ≤ + 125℃） | 22.5 | 25 | 27.5 | mV | ||
| 功率限制閾值（VOUT = 2V，RPROG = 25kΩ） | 10 | 14 | 18 | mV | ||
| 快速跳閘關閉閾值 | 52.3 | 61.5 | 70.7 | mV | ||
| 過溫關閉（OTSD）閾值（上升） | 145 | ℃ | ||||
| 滯回 | 15 | ℃ |
性能特點
從電氣特性可以看出，SGM25711B 在不同參數下都有明確的性能指標，能夠滿足各種應用場景的需求。例如，精確的電流限制和功率限制功能可以確保系統在安全的電流和功率范圍內運行，而過溫保護功能則可以防止芯片因過熱而損壞。
四、典型應用與設計要點
典型應用電路
SGM25711B 的典型應用電路如下：
在這個電路中，我們可以看到各個元件的連接方式和參數設置。例如，RSENSE 為 2mΩ，用于檢測電流；M1 選用 CSD16403Q5 MOSFET；COUT 為 470μF 的電容，用于濾波；RGATE 為 10Ω 的電阻，用于控制 MOSFET 的柵極驅動。
設計要點
- 選擇檢測電阻 (R_{SENSE })：根據電氣特性表，電流限制電壓閾值約為 25mV。為了實現 12A 的峰值電流限制，選擇 2mΩ 的電阻。同時，要注意電阻的功率損耗，選擇合適的規格。計算公式為 (R{SENSE }=frac{V{VCC cdot SENSE }}{I{LIM}}) ，即 (R{SENSE}=frac{25 mV}{12 A} approx 2 m Omega) 。
- 選擇 MOSFET (M_{1})：SGM25711B 設計用于柵源電壓額定值為 20V 的 MOSFET。對于較低柵源電壓的 MOSFET，可以使用外部齊納二極管來保持柵源電壓的峰值在絕對額定值內。同時，要考慮漏源電壓，建議在輸入端添加外部 TVS 以防止輸入電壓的浪涌。此外，MOSFET 的 (V{DS(MAX) }) 額定值應至少為電源值的兩倍。電壓跨 MOSFET 應小于 nPG 最小閾值 235mV，在 12A 電流限制條件下，最大導通電阻要求為 19mΩ。可參考公式 (R{DSON(MAX) }=frac{T{J(MAX)}-T{A(MAX)}}{I{MAX }^{2} × R{Theta JA}}) 計算相應環境溫度下的最大導通電阻。
- 選擇功率限制 (P{LIM }) 和 (R{PROG})：M1 在啟動期間消耗大量功率，要避免設備在短時間內溫度上升到絕對最大值。假設最大值為 130℃，可參考公式 (P{LIM } leq 0.8 × frac{T{J(MAX)2}-left[left(I{MAX }^{2} × R{DSON } × R{Theta CA }right)+T{A(MAX)}right]}{R{Theta JC}}) 計算最小 (P{LIM }) 。然后根據公式 (R{PROG }=frac{3600}{P{LIM} × R{SENSE }}) 計算 (R{PROG}) ，選擇一個接近但大于計算值的電阻。
- 選擇輸出電壓上升時間 (t{ON}) 和 (C{TIMER})：要確保在定時器電容設定的計時周期結束前，負載電容完全充電，以免觸發故障電路。計算公式為 (t{ON }=left{begin{array}{l} frac{C{OUT } × P{LIM }}{2 × I{LIM }^{2}}+frac{C{OUT } × V{CC(MAX) }^{2}}{2 × P{LIM}}-frac{C{OUT } × V{CC(MAX) }}{I{LIM}} if P{LIM}
- 計算自動重試模式占空比：根據定時器電容的充電和放電過程，計算自動重試模式的占空比。定時器電容從 0V 充電到 1.35V，再從 1.35V 放電到 0.35V，總時間為 (7.56 ~ms+33 ×5.6 ~ms = 192.36ms) ，自動重試模式占空比為 (7.56 ~ms / 192.36 ~ms = 3.93 %) 。
- 選擇 (R{1}) 和 (R{2}) 用于欠壓：根據電氣規格中 VENTH 值為 1.35V，選擇 UVLO 引腳分壓器電阻的值。計算公式為 (V{ENTH }=frac{R{2}}{R{1}+R{2}} × V_{CC}) 。
- 選擇 (R{4}) 、(R{5}) 、(R{GATE }) 和 (C{1})：根據 MOSFET 的實際輸入電容值選擇合適的柵極電阻。如果 MOSFET 的 (C_{iss }) 小于 200pF，建議使用 33Ω 的柵極電阻。此外，由于 nFLT 和 nPG 引腳為開漏輸出，可分配 3
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