SGM25702：高性能高側保護控制器的深度剖析與應用指南

在電子設計領域，對于高側保護控制器的需求日益增長，尤其是在需要精確控制和可靠保護的應用場景中。SGM25702作為一款具有低靜態電流的高側保護控制器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。本文將深入探討SGM25702的特性、工作原理、應用場景以及設計要點，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、SGM25702概述

SGM25702是一款專門設計用于驅動高側N溝道MOSFET的控制器，能夠在標準的開關轉換和故障條件下智能管理MOSFET。它具備以下顯著特點：

1. 寬輸入電壓范圍：支持5.5V至65V的輸入電壓，適用于多種電源系統。
2. 低靜態電流：在禁用模式下，靜態電流小于11μA，有助于降低功耗。
3. 可控輸出上升時間：通過控制輸出電壓的恒定上升時間，確保安全連接容性負載。
4. 電荷泵柵極驅動器：為外部N溝道MOSFET提供穩定的驅動電壓。
5. 可調欠壓鎖定（UVLO）和過壓保護（OVP）：提供靈活的電壓保護功能，增強系統的可靠性。
6. 可編程故障檢測延遲時間：允許用戶根據實際需求設置故障檢測的延遲時間。
7. 電源良好（nPG）輸出：指示外部MOSFET的工作狀態，方便系統監控。

二、引腳配置與功能

引腳配置

引腳功能詳解

1. SENSE引腳：該引腳通過外部電阻與恒定電流源（典型值為16μA）相乘來確定故障檢測閾值。通過合理選擇電阻值，可以精確設置過流保護的閾值。
2. IN引腳：作為電源電壓輸入引腳，工作電壓范圍為5.5V至65V。內部上電復位（POR）電路在IN引腳電壓超過5.1V時激活。建議在該引腳附近放置一個小陶瓷旁路電容，以減少噪聲干擾。
3. OVP引腳：過壓保護比較器的輸入引腳，通過外部電阻分壓器連接到輸入電源電壓，用于設置過壓關斷閾值。當OVP引腳電壓超過典型值2.0V時，GATE引腳被拉低，但控制器不會鎖存關閉。當OVP引腳電壓降至典型值1.76V以下時，恢復正常工作。
4. UVLO引腳：欠壓鎖定比較器的輸入引腳，通過電阻分壓器網絡連接到輸入電源電壓和地。當EN信號為高電平時，UVLO比較器激活。當UVLO引腳電壓超過典型值1.6V時，GATE引腳的下拉組件被禁用，允許輸出電壓逐漸上升。內部還集成了一個恒定電流源（典型值為5.5μA），確保在開路情況下UVLO引腳保持低電平。
5. EN引腳：使能輸入引腳，當EN引腳電壓低于0.8V時，設備進入低電流關斷狀態；當電壓超過2.0V時，內部偏置電路和UVLO比較器激活。只有當EN和UVLO都為高電平時，GATE引腳的上拉偏置才會激活。內部還集成了一個恒定電流源（典型值為5μA），確保在開路情況下EN引腳保持低電平。
6. TIMER引腳：定時電容連接引腳，通過外部電容設置VDS和VGS故障檢測的等待時間。當該引腳電壓超過2.0V時，SGM25702將禁用外部MOSFET并保持鎖存關閉狀態。當EN、UVLO或VIN（POR）輸入先拉低再拉高時，外部MOSFET恢復工作。
7. nPG引腳：故障狀態輸出引腳，為開漏輸出。當外部MOSFET的電壓降（VDS）下降到一定程度，使得OUT引腳電壓超過SENSE引腳電壓時，nPG指示燈激活，輸出低電平表示無故障。
8. OUT引腳：輸出電壓檢測引腳，連接到外部MOSFET的源極，用于內部檢測VDS和VGS條件。
9. GATE引腳：柵極驅動輸出引腳，連接到外部MOSFET，通過內部電荷泵提供恒定電流源（典型值為25μA）為外部MOSFET的柵極充電。GATE和OUT之間的電壓差由內部齊納二極管鉗位在17.2V。可以在GATE引腳和GND之間連接一個電容，以減少輸出電壓的ΔV/Δt。

三、工作原理

啟動序列

SGM25702的輸入電壓范圍為5.5V至65V。當設備通過EN引腳超過EN_TH_H閾值（2.0V）啟動時，GATE引腳內部的25μA（典型值）電流源開始為外部N溝道MOSFET的柵極充電，同時定時器電容通過6μA（典型值）電流源充電。在C_TIMER電壓值達到2V之前，當柵源電壓（VGS）達到V_GATE_TH閾值（典型值為6.4V）時，TIMER引腳被內部6mA電流源拉低至0.3V，表明VGS序列完成，內部5μA電流源激活。此后，C_TIMER由TIMER引腳的內部11μA電流源充電，直到N溝道MOSFET的漏源電壓（VDS）下降到限制閾值以下（即無VDS故障）或C_TIMER電壓值達到TMRH閾值（典型值為2V）（即故障）。

柵極控制

內部電荷泵可以提供高于輸出電壓的內部偏置，以提升N溝道MOSFET的柵極電壓。外部N溝道MOSFET的VGS由內部齊納二極管限制在17.2V。在正常工作時，GATE引腳通過內部25μA電流源充電至比OUT引腳高約12.2V。當UVLO或EN為低電平時，2mA的下拉電流源可以防止N溝道MOSFET的漏柵電容引起的串擾，避免誤導通。當C_TIMER充電至2V閾值或OVP電壓超過OVP_TH閾值時，GATE引腳被60mA電流源拉低。

狀態條件

故障定時器

故障等待時間可以通過連接在TIMER和GND之間的C_TIMER設置，電容將被內部電流源充電至V_TMRH閾值以指示故障條件。當檢測到故障時，SGM25702將通過60mA電流源對GATE引腳放電，關閉N溝道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引腳進行電源循環。在啟動過程中，有三個電流源用于對定時器電容進行充電或放電。當EN、UVLO和IN都為高電平時，一個恒定的6μA（典型值）電流源對TIMER引腳充電。當VGS序列完成后，另一個恒定的5μA（典型值）電流源對TIMER引腳充電，總充電電流為11μA（典型值）。當EN、UVLO或IN引腳為低電平，或OVP為高電平時，6mA下拉電流源激活，對定時器電容放電并復位定時器。需要注意的是，當宣布VDS故障時，6mA下拉電流源禁用，總充電電流為11μA（典型值），以設置故障等待時間。

重啟

SGM25702有兩種不同的重啟條件：

1. 過流故障（VDS故障）后重啟：當宣布VDS故障時，SGM25702鎖存關閉并關閉外部N溝道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引腳先拉低再拉高。
2. OVP事件后重啟：當OVP功能激活時，GATE和OUT引腳被拉低。由于定時器電容放電，SGM25702在OVP事件期間不會鎖存關閉，一旦OVP引腳電壓降至較低閾值（典型值為1.76V）以下，設備將按照啟動序列重啟，無需對EN、UVLO或IN引腳進行電源循環。

VDS故障條件

N溝道MOSFET的漏源電壓（VDS）由VDS比較器指示。當SENSE電壓超過OUT電壓時，VDS比較器觸發，開漏輸出nPG進入高阻抗狀態。然后，TIMER將根據VGS序列是否完成，由6μA（典型值）或11μA（典型值）電流源充電。在啟動過程中，如果檢測到VDS故障，nPG將在整個期間保持高電平。

過流檢測

過流檢測可以通過VDS故障比較器實現。由于比較器監控SENSE和OUT引腳之間的電壓差，VDS故障閾值為： [V{DSTH }=left(R{S} × I{SENSE }right)-V{OFFSET }] MOSFET漏源電流閾值為： [I{DSTH }=frac{V{DSTH }}{R_{DSON }}] 其中，R_DSON是N溝道MOSFET的漏源電阻，OFFSET是VDS比較器的偏移電壓，I_SENSE（典型值為16μA）是閾值編程電流。因此，可以通過SENSE引腳的串聯電阻設置外部N溝道MOSFET的過流閾值。在啟動過程中，芯片允許MOSFET在一定時間內導通過大電流，該時間由外部C_TIMER、TIMER的源電流和故障閾值（V_TMRH）共同決定。當C_TIMER電壓達到故障閾值（V_TMRH）時，等待時間結束，柵極以60mA的速率放電。

四、應用信息

SGM25702演示板設計

SGM25702演示板的設計需要考慮以下幾個方面：

1. 選擇SENSE引腳串聯電阻R_S：根據所需的過流閾值和外部N溝道MOSFET的R_DSON選擇合適的SENSE引腳電阻R_S。
2. 輸出上升時間：在存在大輸出電容或對輸出電壓敏感的下游負載的應用中，可以通過在GATE和GND之間放置電容來減慢輸出電壓的上升時間。輸出上升時間由MOSFET的閾值電平、MOSFET的柵極電容以及GATE和GND之間的外部電容決定。在MOSFET緩慢開啟時，需要仔細考慮其安全工作區（SOA），以避免功率損耗損壞設備。
3. 故障檢測等待時間：SGM25702提供故障檢測等待時間功能，適用于需要在啟動或正常運行期間提供一定浪涌電流的應用，如燈具和電機。可以通過連接在TIMER和GND之間的低泄漏電容C_TIMER設置VGS檢測或過流檢測的等待時間。
4. MOSFET選擇：選擇外部MOSFET時，需要考慮以下因素：
   • BVDSS應大于系統的最大輸入電壓，并留出一定余量以應對線路或負載瞬變引起的電壓振鈴。
   • MOSFET的最大漏極電流應大于SENSE串聯電阻設置的過流閾值。
   • 建議選擇閾值電壓較低的MOSFET，在相同柵極電容條件下更快進入歐姆區域，從而在啟動期間使MOSFET保持在SOA內運行。
   • 需要仔細考慮MOSFET在啟動和關閉期間可能的最大功率消耗下的SOA和熱特性。
   • 盡量使R_DSON盡可能小，以避免溫度過高。建議MOSFET的穩態溫度低于+125℃。
   • 如果所選外部MOSFET的最大額定VGS小于16V，必須在柵極和源極之間放置齊納二極管以鉗位VGS。此外，外部齊納二極管的正向電流額定值應超過60mA，以滿足故障條件下傳導下拉電流的要求。
5. 輸入和輸出電容：在實際應用中，功率電路中不可避免地存在寄生電感，主要由電線和印刷電路板的布線引起。所有走線電感在MOSFET快速關閉時會在輸入側產生正尖峰，在輸出側產生負尖峰。因此，需要在輸入和輸出端子使用電容或鉗位電路來限制這些電壓尖峰的影響。電容值的選擇主要與輸入電壓水平、負載電流水平、走線寄生電感和MOSFET開關速度有關。此外，需要在IN和GND之間放置旁路電容以過濾噪聲和電壓尖峰。
6. UVLO和OVP：UVLO和OVP都可以通過電阻分壓器檢測輸入電壓是否在合適的工作范圍內。當輸入電壓過低時，UVLO引腳電壓低于閾值，將通過GATE引腳的2mA電流源關閉MOSFET。UVLO閾值具有180mV的滯后。當輸入電壓過高時，OVP引腳電壓高于閾值，將通過GATE引腳的60mA電流源關閉MOSFET。OVP閾值具有240mV的滯后。可以通過多種方式設置輸入電壓的欠壓和過壓閾值，如使用三個電阻設置閾值，或通過兩個電阻分壓器分別調整UVLO和OVP閾值。
7. 電源良好指示器：當nPG處于邏輯低電平時，建議通過上拉電阻將流入該引腳的電流限制在1mA至5mA范圍內。上拉電阻可以連接在IN和nPG之間，任何不超過65V的正電壓都可以作為上拉電源。
8. 輕負載和大負載電容：在連接大輸出電容和輕負載的情況下，如果設備因故障鎖存關閉，GATE引腳內部有60mA的電流源。由于輕負載或高阻抗負載路徑，負載電容上的電荷大部分由SGM25702內部消耗。可以通過在OUT引腳串聯放電電阻R_0來限制負載電容上的放電電流，但需要注意該電阻會影響過流閾值，因此需要根據R_0的變化調整R_S的值。

反向極性保護

SGM25702可以通過二極管或電阻實現反向極性保護。在使用二極管實現反向極性保護的電路中，使用兩個源極相連的MOSFET（Q1和Q2）避免輸入反極性時的反向電流。齊納二極管D3用于保護設備免受MOSFET快速關閉引起的輸入電壓瞬態損壞。當輸入電容足夠大以吸收電壓瞬態時，可以忽略D3。為避免輸入反極性時D3導通，可以將D3與二極管D2串聯。二極管D1用于保護IN引腳，防止通過ESD二極管的反向電流。電阻R1用于保護GATE引腳，由于G