SLG59H1403C：双输入单输出3A电源多路复用器的深度解析

在电子设计领域，电源管理始终是一个关键环节，尤其是在需要多个电源输入的系统中，如何高效、稳定地选择和切换电源成为了工程师面临的重要挑战。Renesas的SLG59H1403C双输入单输出3A电源多路复用器正是为解决这一问题而设计的优秀器件。本文将深入剖析SLG59H1403C的特点、性能、应用场景以及相关设计要点，希望能为广大电子工程师在电源设计方面提供有价值的参考。

文件下载：Renesas Electronics SLG59H1403C高压GreenFET负载开关.pdf

一、器件概述

SLG59H1403C专为OR'ing或手动电源多路复用（Power MUX）应用而设计。该器件配备两个3A额定负载开关，非常适合具有多个电源的各种系统。它能够自动检测、选择可用输入，并在它们之间无缝切换，同时也支持手动在两个电源轨之间进行切换，这为电源设计提供了极大的灵活性。

二、特性亮点

1. 负载开关与电荷泵

具有两个3A负载开关且共享一个输出，同时集成了两个VGS电荷泵，为电源切换提供了强大的驱动能力和稳定性。

2. 宽工作范围

其工作电压范围为2.8V至22V，能适应多种不同的电源环境，这使得它在不同类型的电子设备中都能得到广泛应用。

3. 可调节性

• 输出软启动时间（SS）：可以通过外部电容$C_{SS}$进行调节，有效减少电源启动时的浪涌电流，保护电路和负载。
• 优先级设置：可根据实际需求调整通道优先级，满足不同的应用场景。
• 过压保护（OVP）：过压保护的精度控制在 < ±5%，并且可以根据需要进行调整，确保在过压情况下对设备进行可靠保护。

4. 低导通电阻

典型的$R_{DS(ON)}$值为52mΩ，能够降低功率损耗，提高电源效率，减少发热。

5. 状态指示与保护功能

• 通道状态指示（ST）：通过ST引脚可以直观地了解哪个输入正在为输出供电，方便进行系统监控和故障排查。
• 欠压锁定（UVLO）：当输入电压低于设定的阈值时，自动锁定输出，防止在低电压下不正常工作，保护设备安全。
• 真正的反向电流阻断：能够有效防止反向电流的流动，避免对电源和负载造成损害。
• 热关断和可调电流限制：在过热或过流情况下，自动采取保护措施，确保器件的可靠性和稳定性。

6. 封装与环保特性

采用1.585mm x 1.985mm、0.4mm间距的20L WLCSP封装，具有小尺寸、低功耗的特点。同时，它符合无铅、无卤素和RoHS标准，满足环保要求。

三、电气特性

1. 电压与电流参数

在$T{A}=-40^{circ}C$至85°C的温度范围内，其电源开关输入电压范围为2.8V至22V，欠压锁定阈值精确可控。例如，$V{IN1,2}$的典型值为2.65V。在不同的工作状态下，其静态电流和待机电流都非常小，如$I{Q_IN[1,2]}$典型值为300μA，$I{STBY_IN[1,2]}$在25°C时典型值为15μA，这有助于降低系统功耗。

2. 导通电阻与电流

$R{DS(ON)}$在不同条件下有所变化，如在$T{A}=25°C$、$I{DS}=200mA$、$V{PR}>V{REF}$、$V{IN[1,2]}≥2.0V$时，典型值为52mΩ。连续电流从IN[1,2]到OUT的最大值为3A，能够满足大多数负载的功率需求。

3. 时间参数

• 导通延迟时间（$T_{ON}$ Delay）：从$V{IN1,2}$到$V{OUT}$斜坡开始的时间典型值为8ms，确保了在电压稳定后再进行输出切换，提高了系统的稳定性。
• 总导通时间（$T_{Total_ON}$）：从$V{IN1,2}$到90% $V{OUT}$的时间可以通过外部电容$C{SS}$进行调节，例如在$C{SS}=220nF$、$V{IN[1,2]}=5V$、$C{LOAD}=2μF$、$R_{LOAD}=100Ω$时，典型值为23ms。

四、工作模式

1. 正常工作状态

• VCOMP模式：当$PR < V{REF}$且$SEL < V{REF}$时，输出由输入电压较高的通道提供。如果$IN1 > IN2$，则输出为$IN1$；如果$IN1 ≤ IN2$，则输出为$IN2$。
• 优先级模式：当$PR > V{REF}$且$SEL < V{REF}$时，优先选择通道1为输出供电。
• 手动通道选择模式：当$SEL > V_{REF}$时，无论$PR$的状态如何，都选择通道2为输出供电。

2. 故障工作状态

当某个通道出现故障（如欠压或过压）时，系统会自动切换到另一个正常的通道。如果两个通道都出现故障，输出将处于高阻（Hi-Z）状态，以保护设备安全。

五、应用场景与设计要点

1. 电源启动考虑

在电源启动过程中，当输入电压$V{IN 1}$或$V{IN 2}$满足有效条件（大于欠压锁定阈值且小于过压锁定阈值）时，会有一个导通延迟时间$T{ON_Delay}$，然后输出电压以由$C{SS}$电容设定的斜率$V{OUT(SR)}$开始上升。在总导通时间$T{Total_ON}$之后，如果输入电压一直保持有效，将不再使用软启动功能，直到输入电压变得无效。

2. 软启动设计

通过改变$C{SS}$电容的大小，可以配置输出电压的斜率。不同的$C{SS}$电容值、$V{IN[1,2]}$电压和温度会对输出斜率和总导通时间产生影响。在实际设计中，需要根据具体的应用需求选择合适的$C{SS}$电容值，以实现理想的软启动效果。

3. 过压保护与工作模式选择

使用典型的电阻分压器来设置OV1和OV2的过压阈值以及$V{PR}$和$V{SEL}$的电平。计算公式为$R_1=frac{R2 timesleft(V{IN[1,2]}-V{REF}right)}{V{REF }}$，其中$R_1$为计算得到的电阻值（kΩ），$R2$为靠近接地的电阻，推荐值为5kΩ，$V{IN[1,2]}$为需要触发保护的电压电平，$V_{REF}$为OV1、OV2、PR和SEL引脚的内部电压参考。

4. 不同应用场景连接方式

• OR'ing应用：将PR和SEL引脚连接到GND或使$V{PR}$和$V{SEL}$ < $V_{REF}$，可以实现两个电源的OR'ing功能。当两个电源轨都有效时，较高的电压将传输到输出；如果一个电源轨突然消失，输出将自动切换到另一个可用的电源轨。
• 手动电源轨选择应用：在PR引脚通过上拉电阻施加一个 ≥ $V{REF}$的外部电压。当$V{PR} ≥ V{REF}$且$V{SEL} < V{REF}$时，选择通道1；当$V{SEL} ≥ V_{REF}$时，选择通道2。
• 带有优先级的手动电源轨选择应用：将PR引脚通过额外的分压器（R5, R6）连接到IN1。当$V{IN 1}$下降导致$V{PR} < V{REF}$且$V{SEL} < V{REF}$时，器件将工作在VCOMP模式；当$V{SEL} ≥ V_{REF}$时，选择通道2。

5. 电流限制功能

SLG59H1403C具有两种电流限制模式：

• 标准电流限制模式（带热保护）：输出电流最初限制在电气特性表中规定的有源电流限制值。当检测到过载时，电流限制电路会快速响应，增加FET的电阻以保持电流不超过限制值。通过选择合适的±1%-tolerance $R{ILIM}$值，可以调整ACL水平，计算公式为$I{ACL}=69.1 / R{ILIM}^{0.861}$（$R{ILIM}$范围为31.6 kΩ至100 kΩ）。如果过载情况持续，芯片温度升高可能会触发热保护，使FET完全关闭，直到温度下降到$THERM OFF$温度后再重新开启。
• 短路电流限制模式（带热保护）：在硬短路（$R_{SHORT } ≥ 0.5 Ω$）情况下，如电源轨上出现焊桥，电流将被限制以保护芯片。同时，热保护功能也可能会在短路电流限制保护操作期间被激活。

6. 快速反向电流阻断（RCB）

每个通道都具有始终开启的反向电流阻断功能。当输出电压被强制高于所选输入电压$V{IRCB}$时，通道将关闭以阻止反向电流$I{RCB}$，响应时间为$t{RCB}$。当输出电压下降到$V{IN}$的$V_{RCB}$范围内时，所选通道将迅速重新开启，以避免在快速切换过程中出现不必要的电压降。

7. 功耗计算与布局指南

• 功耗计算：SLG59H1403C的功耗和结温可以通过以下公式计算：$PD{TOTAL }=left(RDS{ON[1,2]} × I{DS[1,2]}^{2}right)$ 或$PD{TOTAL }=left(V{IN[1,2]}-V{OUT }right) × I{DS[1,2]}$，$T{J}=P D{TOTAL } × theta{JA}+T{A}$。其中，$PD{TOTAL}$为总封装功耗，$RDS{ON[1,2]}$为通道1和通道2的负载开关导通电阻，$I{DS[1,2]}$为通道1和通道2的输出电流，$T{J}$为芯片结温，$theta{JA}$为封装热阻，$T_{A}$为环境温度。
• 布局指南：在PCB布局时，应尽量使IN[1,2]和OUT引脚的功率走线短、直、宽，每安培电流的功率走线绝对最小宽度为15mils（0.381mm）。同时，将输入$C{IN[1,2]}$和输出$C{LOAD}$低ESR电容尽可能靠近SLG59H1403C的IN[1,2]和OUT引脚，以减小寄生走线电感对正常工作的影响。GND引脚应连接到系统模拟或电源接地平面。

六、评估板与使用说明

Renesas为SLG59H1403C设计了一款高压绿色FET评估板，评估板上有IN[1,2]_Sense和OUTSense焊盘，仅用于$R{DS(ON)[1,2]}$评估，不能承载高电流。基本的EVB配置步骤如下：

1. 将示波器探头连接到IN[1,2]、OUT、ST等引脚。
2. 通过连接X1 - X3和X4 - X6上的跳线来分别配置通道1和通道2的过压保护阈值。OV[1,2]设置的跳线用于设置典型工作输入电压，过压保护阈值将比该设置高20%。
3. 连接X7 - X9上的跳线来配置PR电平。PR设置的跳线用于设置优先级模式下的典型工作输入电压。当输入电压下降到典型工作电压水平的约4% - 5%以下时，$V{PR}$将低于$V{REF}$，器件将工作在VCOMP模式。
4. 分别使用X20和X21配置软启动（SS）和电流限制（ILIM）。详细信息可参考数据手册中的软启动介绍和电流限制部分。
5. 使用X15、X22选择所需的操作模式，并通过X16连接上拉电阻到ST引脚。不同操作模式的详细信息可参考数据手册中的正常操作状态表。
6. SEL引脚的逻辑高电平配置连接到PR引脚信号。这意味着要使SEL引脚处于高电平状态，需要先使PR信号为逻辑高电平。这种配置允许在手动通道选择模式下切换通道1和通道2，而不受$V_{IN[1,2]}$电压水平的影响。

七、总结

SLG59H1403C作为一款高性能的双输入单输出3A电源多路复用器，凭借其丰富的功能特性、优异的电气性能和灵活的应用方式，在多个电子领域都具有广阔的应用前景。无论是在电源切换、过压保护还是电流限制等方面，都能为工程师提供可靠的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择和配置器件的参数，同时注意PCB布局和评估板的使用，以充分发挥SLG59H1403C的优势，设计出高效、稳定的电源管理系统。你在使用SLG59H1403C的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。