深入解析TPS2320/TPS2321双路热插拔电源控制器

在电子设备的设计中，热插拔功能是一项非常重要的特性，它允许在系统运行时插入或移除设备，而不会对系统造成损害。德州仪器（TI）的TPS2320和TPS2321双路热插拔控制器，为热插拔应用提供了强大而可靠的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这两款控制器。

文件下载：tps2320.pdf

产品概述

TPS2320和TPS2321是双路热插拔控制器，在电源应用中使用外部N沟道MOSFET作为高端开关。它们具备过流保护（OCP）、浪涌电流控制以及区分负载瞬态和故障的能力，这些特性对于热插拔应用来说至关重要。

产品特性

1. 双路通道高端MOSFET驱动器：IN1输入电压范围为3V至13V，IN2输入电压范围为3V至5.5V。
2. 输出dV/dt控制：可限制浪涌电流，保护设备免受过大电流冲击。
3. 独立断路器：具有可编程过流阈值和瞬态定时器，能有效应对各种过流情况。
4. 兼容CMOS和TTL的使能输入：方便与其他电路进行接口。
5. 低待机电流：最大仅5μA，降低功耗。
6. 多种封装形式：提供16引脚SOIC和TSSOP封装，满足不同应用需求。
7. 宽工作温度范围：-40°C至85°C，适用于各种恶劣环境。
8. 静电放电保护：增强设备的可靠性和稳定性。

引脚功能详解

电源与接地引脚

• AGND（6脚）：模拟地，应尽可能靠近DGND连接。
• DGND（3脚）：数字地。
• VREG（5脚）：内部低压差稳压器的输出，连接旁路电容以确保稳定运行。当IN1小于5.5V时，VREG和IN1可连接在一起，但此时禁用设备不会进入低静态电流模式。

使能与故障引脚

• ENABLE（14脚）：TPS2320为低电平有效，TPS2321为高电平有效。使能时，GATE1和GATE2电压上升以开启外部MOSFET；禁用时，MOSFET栅极以受控速率放电，同时关闭内部稳压器，使总电源电流远小于5μA。
• FAULT（13脚）：开漏过流标志输出。当任一通道出现过流情况且持续时间足够长，使TIMER充电至0.5V时，过流通道锁存关闭，FAULT引脚拉低。

栅极驱动引脚

• GATE1（1脚）和GATE2（2脚）：连接到外部N沟道MOSFET的栅极。使能时，内部电荷泵电路通过向每个引脚提供约15μA的电流来拉高引脚电压。开启转换速率取决于GATE1和GATE2端子的电容，可通过连接电容到地来进一步降低转换速率，减少浪涌电流并防止上电时误触发过流保护。

电流检测与设置引脚

• ISENSE1（8脚）和ISENSE2（7脚）：与ISET1和ISET2配合，实现对GATE1和GATE2的过流检测。
• ISET1（12脚）和ISET2（11脚）：通过连接到IN1和IN2的外部电阻设置产生过流故障的电流大小。

定时器引脚

• TIMER（4脚）：连接电容可设置电源开关在过流情况下关闭前的时间。过流保护电路检测到过大电流时，电流源对电容充电，当电压达到约0.5V时，断路器锁存，电源开关关闭。在高功率或高温应用中，建议从TIMER到地连接至少50pF的电容，以防止误触发。

放电引脚

• DISCH1（16脚）和DISCH2（15脚）：分别连接到与GATE1和GATE2相连的外部N沟道MOSFET的源极。当MOSFET禁用时，这些引脚对负载放电，并作为内部栅极电压钳位电路的参考电压连接。

电气特性

输入电流

• IN1输入电流在VI(ENABLE) = 5V（TPS2321）时为0.5 - 1mA。
• IN2输入电流在VI(ENABLE) = 0V（TPS2320）时为75 - 200μA。
• 待机电流（IN1、IN2、ISENSE1、ISENSE2、ISET1和ISET2的电流总和）在VI(ENABLE) = 0V（TPS2321）或VI(ENABLE) = 5V（TPS2320）时最大为5μA。

栅极电压与电流

• GATE1和GATE2的栅极电压在不同输入电压下有相应的取值范围，如VI(IN1) = 3V时，VG(GATE1_3V)为9 - 11.5V。
• 栅极源电流和灌电流也有明确的参数范围，以确保MOSFET的正常驱动。

定时器特性

• TIMER的阈值电压为0.4 - 0.6V，充电电流为35 - 65μA，放电电流为1 - 2.5mA。

断路器特性

• 断路器的阈值电压与ISETx电阻和温度有关，不同条件下有不同的取值。
• 比较器输入到栅极输出的传播延迟时间在特定条件下为1.3μs。

使能特性

• 使能引脚的高低电平输入电压、输入上拉或下拉电阻以及开启和关闭延迟时间都有明确的参数。

应用设计要点

输入电容

在热插拔板连接器附近的输入电源端子上，应放置一个0.1μF陶瓷电容与一个1μF陶瓷电容并联，以帮助稳定卡上的电压轨。对于电源环境更恶劣的应用，建议在热插拔板输入端子附近使用2.2μF或更高的陶瓷电容。同时，IN1和IN2的旁路电容应靠近设备放置。

输出电容

每个负载建议使用一个0.1μF陶瓷电容，这些电容应靠近外部FET和TPS2320/21放置。此外，负载上还建议使用一个较大的大容量电容，其值应根据应用的功率要求和瞬态情况进行选择。

外部FET

每个通道需要一个外部N沟道MOSFET来将输入电源的功率传输到负载。市场上有多种MOSFET可供选择，如IRF7601、MTSF3N03HDR2等，可根据具体应用需求进行选型。

定时器设置

为防止误触发，大多数应用建议使用至少50pF的电容连接在TIMER和地之间。过流情况会使50μA电流源对该电容充电，当电容充电至约0.5V时，TPS2320/TPS2321锁存关闭有问题的通道并拉低FAULT引脚。定时器电容可根据需要增大，以提供额外的时间延迟。

输出电压转换速率控制

TPS2320/TPS2321控制器使能时，向每个外部MOSFET晶体管的栅极提供约15μA的电流。MOSFET源电压的转换速率受外部MOSFET的栅漏电容Cgd限制。如果需要更慢的转换速率，可在外部MOSFET的栅极和地之间连接额外的电容。

设置电流限制断路器阈值

以通道1为例，电流检测电阻RISENSE1和电流限制设置电阻RISET1决定通道的电流限制，可通过公式(I{LMT 1}=frac{R{ISET 1} × 50 × 10^{-6}}{R_{ISENSE1 }})计算。通常RISENSE1非常小（0.001Ω - 0.1Ω），若ISENSE和ISENSE1与ISET1之间的走线和焊点电阻大于RISENSE1值的10%，则应将这些电阻值加入计算。该计算方法同样适用于通道2。

欠压锁定（UVLO）

TPS2320/TPS2321具有欠压锁定功能，监测VREG引脚的电压。当VREG电压低于2.78V（标称值）时，禁用两个外部MOSFET；当电压高于2.85V（标称值）时，重新启用正常操作。在欠压锁定期间，内部PMOS下拉晶体管将GATE1和GATE2保持低电平，确保外部MOSFET始终关闭。

单通道操作

对于只需要一个外部MOS晶体管的应用，可使用GATE1及其相关电路（IN1、ISENSE1、ISET1、DISCH1），并将IN2引脚接地以禁用与GATE2相关的电路。

上电控制

TPS2320/TPS2321包含一个500μs（标称值）的启动延迟，确保内部电路有足够时间启动后再开启外部MOSFET。该延迟仅在电路快速上电时触发，若电源缓慢上升，欠压锁定电路将提供足够的欠压保护。

三通道热插拔应用

对于需要对多达三个电压轨进行热插拔控制的应用，可使用通道2驱动3.3V和5V电源轨，通道1驱动12V电源轨，从而实现向三个负载提供三种不同电压，同时监测其中两个负载的状态。

总结

TPS2320和TPS2321双路热插拔控制器为热插拔应用提供了全面而可靠的解决方案。通过合理的设计和应用，能够有效保护设备免受浪涌电流和过流故障的影响，提高系统的稳定性和可靠性。在实际设计中，工程师们需要根据具体应用需求，合理选择外部元件，如MOSFET、电容和电阻等，以确保控制器的性能得到充分发挥。同时，对引脚功能和电气特性的深入理解，有助于优化电路设计，避免潜在的问题。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。