深度剖析 TPS212x：双输入单输出电源多路复用器的卓越性能与应用

在电子设备的电源管理领域，双输入单输出（DISO）电源多路复用器扮演着至关重要的角色。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的 TPS212x 系列电源多路复用器，包括 TPS2120 和 TPS2121，了解它们的特性、应用场景以及设计要点。

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1. 产品概述

TPS212x 是一系列双输入单输出（DISO）电源多路复用器，适用于具有多个电源的各种系统。这些设备能够自动检测、选择并在可用输入之间无缝切换，可自动优先选择最高输入电压，也可手动分配给较低电压输入，以支持 ORing 和源选择操作。

1.1 主要特性

• 宽工作范围：工作电压范围为 2.8 V 至 22 V，绝对最大输入电压为 24 V。
• 低导通电阻：TPS2120 的典型导通电阻为 62 mΩ，TPS2121 为 56 mΩ。
• 可调节功能：包括过压监控器（OVx）和优先级监控器（PR1），精度均小于 ±5%。TPS2121 还支持外部电压参考（CP2），精度小于 1%。
• 输出电流限制：TPS2120 的输出电流限制范围为 1 A - 3 A，TPS2121 为 1 A - 4.5 A。
• 快速输出切换：TPS2121 的典型切换时间为 5 µs。
• 低静态电流：启用输入时典型值为 200 µA，禁用输入时典型值为 10 µA。
• 手动输入源选择：支持通过 OVx 进行手动输入源选择。
• 过温保护：具备过温保护功能，确保设备在高温环境下的可靠性。

1.2 应用场景

• 备份和备用电源：在主电源故障时自动切换到备用电源，确保设备持续运行。
• 输入源选择：根据不同的电源条件选择合适的输入源。
• 多电池管理：管理多个电池的充电和放电过程。
• EPOS 和条形码扫描仪：为这些设备提供稳定的电源。
• 建筑自动化和监控：确保系统在各种电源条件下的稳定运行。
• 跟踪和远程信息处理：为相关设备提供可靠的电源支持。

2. 产品详细特性分析

2.1 输入稳定时间和输出软启动控制（SS）

TPS212x 会自动选择第一个有效的输入源（INx > UV 且 INx < OV），并使用外部电容（CSS）作为定时器等待输入稳定。稳定时间结束后，CSS 继续充电以设置输出斜率，实现软启动。当第二个输入源变得有效时，CSS 会再次用于第二个稳定时间，之后设备会决定是否切换到第二个输入源。

2.2 有源电流限制（ILM）

负载电流始终受到监控，当负载电流超过由 RILM 电阻编程的电流限制触发点 ILM 时，设备会在 (t{ILM}) 内调节电流。可使用以下公式计算所需的 RILM 值： [I{LM}=frac{69.1}{R{LLM}^{0.861}}]（TPS2120） [I{LM}=frac{65.2}{R_{LM}^{0.861}}]（TPS2121）

2.3 短路保护

在瞬态短路事件中，设备内置的快速跳闸过流保护（OCP）比较器会在电流超过阈值 (I_{OCP})（约为编程电流限制的 2.4 倍）时，在 1 µs 内关闭通过设备，并保持内部 FET 关闭约 25 ms，之后设备会重新启动。

2.4 热保护（TSD）

TPS212x 具有内置的绝对热关断和相对热关断功能，以确保电源多路复用器的最大可靠性。绝对热关断在结温超过 160°C（典型值）时禁用功率 FET，设备在 (T_{J}<[T(TSD)-10°C]) 约 25 ms 后自动恢复。相对热关断在功率 FET 温度急剧上升时保护设备，在 FET 冷却 20°C 约 25 ms 后自动恢复。

2.5 过压保护（OVx）

IN1 和 IN2 均具备输出过压保护功能，OVx 引脚的 VREF 比较器可独立调整每个输入的过压保护阈值。当发生过压时，相应通道会立即关闭，若另一个输入电压有效，则支持快速切换到该输入。

2.6 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。如果输出电压被强制高于所选输入 (V{IRCB})，通道会在 (t{RCB}) 内关闭以阻止反向电流 (I{RCB})。当输出电压降至 (V{IN}) 的 (V_{RCB}) 范围内时，所选通道会迅速重新开启，以避免快速切换期间不必要的电压降。

2.7 输出电压下降和快速切换控制（TPS2121 专用）

TPS2121 在输入稳定和软启动时间后，利用快速切换来最小化输出电压下降。切换期间的电压下降量是输出负载电流（IOUT）和负载电容（COUT）的函数，可使用以下公式计算切换期间的最小输出电压： [V{OUT,MIN }=V{SW}-V{DIP }] [V{DIP }=t{S W} timesleft(frac{I{OUT }}{C_{OUT }}right)]

2.8 输入电压比较器（VCOMP）

如果 PR1 和 CP2 都小于 VREF，设备会使用两个输入之间的内部比较器来确定优先级源。VCOMP 配置确保在输入电压相等时 IN2 优先。如果 IN2 低于 VCOMP 滞后，则 IN1 具有优先级。

3. 设备功能模式

3.1 TPS2120 功能模式

TPS2120 的输出源选择取决于输入电压、PR1 和 SEL 引脚的状态。如果只有一个输入电压有效，则该输入为输出供电；如果两个输入都无效，则输出为高阻态（Hi-Z）。ST 引脚在输出为 Hi-Z 或 IN1 时拉高，在 IN2 为输出时拉低。

3.2 TPS2121 功能模式

TPS2121 的功能模式与 TPS2120 类似，但增加了 CP2 引脚。当 CP2 拉低时，设备忽略该引脚；当 CP2 拉高时，启用快速切换，并与 PR1 进行比较以确定输出源。

4. 应用与实现

4.1 手动切换

可通过外部控制器（如 MCU）手动选择两个输入源。在这种模式下，TPS2120 可通过 SEL 引脚覆盖 PR1/VREF 比较，TPS2121 则通过 CP2 引脚与 PR1 比较来确定输出源。

4.2 带优先级的自动切换（XCOMP）

适用于需要不间断电源的应用。例如，当 12-V 主电源下降到 7.6 V 以下时，设备会自动切换到 5-V 辅助电源。通过配置外部比较器控制方案（XCOMP），比较 PR1 和 CP2 的电压来确定输出源。

4.3 带优先级的自动无缝切换（XREF）

用于展示两个 12-V 电源的冗余供电。当主电源下降时，设备会无缝切换到备用电源。通过连接外部精密调节器到 CP2 引脚，以最小化电压切换误差，实现更无缝的切换。

4.4 最高电压操作（VCOMP）

设备使用内部比较器确定优先级源，当 PR1 和 CP2 都低于 VREF 时，优先选择最高输入电压。如果两个输入电压相等，VCOMP 和滞后确保 IN2 优先。

4.5 反向极性保护

通过在 TPS212x 的 GND 引脚连接二极管，可防止反向电流流入设备，保护系统免受输入电源接线错误的影响。

4.6 热插拔

在热插拔事件中，电缆和输入迹线的固有电感可能导致输入引脚电压尖峰，超过设备的绝对最大额定值。可使用瞬态电压抑制（TVS）二极管来保护设备免受电压瞬变的影响。

5. 电源供应建议与布局

5.1 电源供应建议

IN1、IN2 和 OUT 迹线应足够宽，以容纳通过设备的电流。这些引脚的旁路电容应尽可能靠近设备放置，推荐使用具有 X5R 或 X7R 电介质的低 ESR 陶瓷电容。为避免输出电压下降，可增加 OUT 引脚的电容；如果电源无法处理输出电容引起的浪涌电流瞬变，可使用更高的输入电容。

5.2 布局指南

使用短而宽的输入和输出平面迹线。对于高电流应用，在输入和输出引脚下方放置过孔，以避免电流密度和热阻瓶颈。

总结

TPS212x 系列电源多路复用器以其丰富的特性和灵活的应用模式，为电子工程师在电源管理设计中提供了强大的工具。无论是在备份电源、多电池管理还是其他需要电源切换的应用中，TPS212x 都能确保系统的稳定运行。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择设备，并注意电源供应和布局的优化，以充分发挥 TPS212x 的性能优势。你在使用 TPS212x 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。