SGM25701：高性能正高压热插拔与浪涌电流控制器解析

在电子设备的设计中，热插拔功能以及浪涌电流的控制至关重要。今天，我们就来深入了解一下SGMICRO推出的SGM25701——一款正高压热插拔与浪涌电流控制器，它在保障电路安全和稳定运行方面有着出色的表现。

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一、产品概述

SGM25701是一款能让电路板安全插入或拔出带电背板的正热插拔控制器。它具备的浪涌电流控制功能可有效降低电源轨上的电压降。同时，该芯片提供可编程的功率限制和电流限制，能确保外部MOSFET始终在安全工作区域（SOA）内运行。当输出电压 (V{out}) 上升到输入电压 (V{IN}) 的1.4V范围内时，芯片具有良好的输出指示功能。此外，它还支持可编程的欠压锁定或过压锁定，若 (V_{IN}) 低于或高于阈值，设备将关闭。用户还可调整故障检测时间和初始插入延迟时间。SGM25701有两种型号，SGM25701A在检测到故障时会进入自动重试模式，而SGM25701B则会锁定关断。该芯片采用绿色MSOP - 10封装。

二、产品特性

（一）宽输入电压范围

其输入电压范围为9V至70V，能适应多种不同的电源环境，可将PCB安全插入带电设备。

（二）灵活的电流和功率控制

具备浪涌电流限制功能，可对外部设备进行编程，设置最大损耗限制和可编程电流限制，有效保护电路。

（三）可调节的锁定功能

支持可调节的欠压锁定（EN/UVLO）和过压锁定（OVLO），能根据实际需求精确设置锁定阈值，保障设备在合适的电压范围内工作。

（四）良好的输出指示

采用开漏输出，能提供良好的输出指示，方便工程师监测电路状态。

（五）快速切断功能

在出现严重过流情况时，具有快速切断功能，可及时保护电路免受损坏。

（六）适配外部N - MOSFET

可配置电荷泵/栅极驱动器，用于驱动外部N - MOSFET，增强了芯片的通用性。

（七）插入时间设置

允许设置插入时间，以适应系统连接后的振铃和瞬态恢复过程，确保系统稳定启动。

（八）可调故障定时

能调节故障定时，防止故障后出现误关机行为。SGM25701A支持自动重试，SGM25701B则采用锁定关断模式。

三、应用领域

SGM25701适用于多种场景，如24V/48V工业系统、服务器背板系统、固态断路器以及基站等。这些领域对电路的安全性和稳定性要求较高，SGM25701的特性正好能满足这些需求。

四、典型应用电路

典型应用电路中包含了多个关键元件，如RSENSE、CIN、Z1、D1、COUT、M1等。其中，RSENSE用于测量电流，当检测到的电压超过55mV时，表明电路处于过载状态，此时故障定时器启动。在重复重启时，特定电阻能为GATE引脚提供稳定的泄漏路径。

五、电气特性

（一）输入电流

在使能和禁用状态下，输入电流有不同的表现。使能时，输入电流典型值为0.40mA；禁用时，输入电流在70 - 110μA之间。

（二）输出偏置电流

使能时，输出偏置电流典型值为6μA；禁用时，输出偏置电流为25μA。

（三）锁定阈值

EN/UVLO和OVLO的阈值电压典型值均为2.5V，且具有一定的迟滞电流和延迟时间。

（四）功率限制

功率限制感测电压在不同条件下有不同的值，PWR引脚电流典型值为20μA。

（五）GATE引脚

GATE引脚在正常工作时，源电流典型值为16μA，灌电流在不同条件下有所不同。其输出电压在正常工作时比OUT引脚高12.7V。

（六）电流限制和断路器

电流限制阈值电压典型值为55.0mV，响应时间为10μs；断路器阈值电压典型值为105mV，响应时间为0.4 - 1.2μs。

（七）TIMER引脚

TIMER引脚有上下阈值，插入时间电流典型值为5μA，故障检测电流典型值为95μA，故障重启占空比为0.43%。

（八）PG引脚

PG引脚的阈值在SENSE - OUT测量时，下降和上升时的典型值均为1.4V，输出低电压在灌电流为2mA时典型值为85mV。

六、详细工作原理

（一）电流限制

当 (R{SENSE}) 上的电压达到55mV的电流限制阈值时，设备触发过流保护，通过控制GATE引脚限制 (M{1}) 中的电流，同时TIMER引脚激活。若在故障超时周期结束前电流低于阈值，设备恢复正常。需注意 (R_{SENSE}) 不能大于100mΩ。

（二）断路器

当负载电流快速上升， (R{SENSE}) 上的电流可能在电流限制控制回路响应前超过电流限制值。当超过两倍电流限制值时， (M{1}) 被85mA电流源拉低迅速关断，故障超时开始计时，直到 (R{sense}) 上的电压降至105mV以下。若 (V{TIMER}) 在电流限制或功率限制停止前达到4V， (M_{1}) 将被2.1mA电流源拉断。

（三）功率限制

功率限制确保 (M{1}) 的功率耗散（MAX）在SGM25701的SOA内。设备通过感测 (M{1}) 的 (V{DS}) 和流经 (R{sense}) 的漏极电流来定义 (M_{1}) 的功率耗散，并将电流和电压值与PWR引脚上用于编程功率限制值的电阻进行比较。若功率限制电路激活，故障定时器启动。

（四）EN/UVLO和OVLO

当电源电压 (V{IN}) 在由电阻网络（ (R{1}) 、 (R{2}) 、 (R{3}) 和 (R{4}) ）编程的欠压锁定值和过压锁定值之间时， (M{1}) 开始工作。当输入电源电压低于EN/UVLO阈值时，EN/UVLO内部的19μA电流吸收器启用，OVLO内部的电流源关闭， (M{1}) 被GATE引脚的2.1mA电流源拉低保持关断。随着输入电源电压升高，当 (EN/UVLO) 超过2.5V时，其内部19μA电流吸收器关闭，提高EN/UVLO电压，为 (M{1}) 由GATE引脚的16μA电流源启用时提供迟滞阈值。当电源电压上升使OVLO引脚上的电压超过2.5V时， (M{1}) 被GATE引脚的2.1mA电流源拉低。此时，OVLO引脚电压高于2.5V，内部19μA电流源开启，降低 (V{ovLO}) 以提供阈值迟滞。

（五）Power Good引脚

PG引脚在开启期间保持高电平，直到 (V{IN}) 升高到约1V以上，此时随着 (V{IN}) 升高，PG继续拉低。当 (V{OUT}) 上升到SENSE引脚电压的1.4V范围内（ (V{DS}) < 1.4V），PG切换为高电平。若 (M{1}) 的 (V{DS}) 升高到2.8V以上，PG切换为低电平。PG需要上拉电阻，上拉电压（ (V_{PG}) ）最高可达70V，以实现高达80V的瞬态能力。若需要PG延迟，可参考相关电路添加电容。

（六）上电序列

SGM25701的上电序列可分为插入时间、浪涌限制和正常运行三个阶段。输入电压开始升高时，GATE引脚内部的85mA强下拉电流源防止MOSFET的米勒电容充电，TIMER引脚被拉低，直到 (V{IN}) 达到PORIT阈值。插入时间内， (CTIMER) 由内部5μA电流源充电， (M{1}) 仍被内部2.1mA电流源关断，允许 (V{IN}) 逐渐稳定。当TIMER引脚电压达到4V，插入时间结束， (CTIMER) 上的电荷被内部1.6mA电流源快速放电。插入时间后，当 (V{IN}) 达到上电复位阈值（ (POREN) ），控制电路启用。若输入电压超过欠压锁定阈值，GATE引脚内部的16μA电流源开始工作并开启 (M{1}) ， (M{1}) 的 (V{GS}) 被内部齐纳二极管限制在12.7V。当OUT引脚电压升高，SGM25701检测 (M{1}) 的漏极电流和功率耗散，启用电流限制电路和功率限制电路。浪涌限制期间， (CTIMER) 由TIMER引脚的内部95μA电流源充电。若 (M{1}) 上的功率耗散和输入电流在 (CTIMER) 电压值达到4V之前降至各自的限制阈值以下，95μA电流源关闭， (CTIMER) 的电荷由内部2.4μA电流吸收器放电。当OUT引脚电压上升到输入电压的1.4V范围内，电流限制间隔完成，PG引脚拉高。若TIMER引脚电压在电流限制或功率限制停止前达到4V，TIMER引脚将被启用， (M{1}) 的GATE引脚将被内部2.1mA电流源拉低并关闭，直到下一次上电序列开始或重启序列结束。

（七）栅极控制

内部电荷泵可为N - MOSFET的栅极提供高于输出电压的内部偏置， (M{1}) 的 (V{GS}) 被内部齐纳二极管限制在12.7V。正常运行时，GATE引脚由内部16μA电流源充电至比OUT引脚高约12.7V。若外部N - MOSFET的最大栅源电压小于12.7V，需在设备外部添加正向电流至少为100mA的低压齐纳二极管。设备初始运行时，85mA的强下拉电流源可防止 (M_{1}) 通过漏极 - 栅极电容误导通。系统初始上电时，GATE引脚被内部85mA电流源拉低，插入时间内被2.1mA电流源拉低，浪涌限制时间内，当TIMER引脚由95μA电流源充电时，GATE引脚电压被限制在编程的电流或功率限制水平。若SGM25701在TIMER引脚充电到4V之前退出电流限制或功率限制状态，电路将进入正常运行模式，TIMER将由内部2.4μA电流放电。当TIMER引脚充电到4V且设备仍处于电流限制或功率限制状态，负载无法正常启动，GATE将继续被2.1mA拉低，直到重启序列结束（SGM25701A）或启动序列初始化（SGM25701B）。当电源电压低于EN/UVLO阈值电压或高于OVLO阈值电压时，GATE引脚也被2.1mA电流源拉低。

（八）关机控制

通过在EN/UVLO引脚上连接开集电极设备或开漏设备，可远程控制设备关闭和安全启动。

（九）故障定时器和重启

启动过程中达到电流限制或功率限制值时，GATE引脚电压被限制以调节负载电流和功率耗散，95μA电流源对TIMER充电。若在TIMER引脚充电到4V之前电流或功率限制情况消失，设备进入正常运行模式；否则， (M{1}) 的GATE引脚将被2.1mA电流源持续拉低，TIMER引脚由2.4μA电流吸收器放电并进入重复充电和放电的重启序列（SGM25701A）。经过七个故障超时周期，当TIMER引脚的第八次下降斜坡电压降至0.3V以下时，重启序列结束，GATE引脚的16μA电流源开启 (M{1}) 。若故障持续，重启序列将重复。SGM25701B在故障检测超时后将锁定故障状态， (C_{TIMER}) 由2.4μA电流吸收器放电，GATE引脚被2.1mA电流源拉低，直到通过循环输入电压重置上电序列，或通过控制信号将UVLO引脚瞬间拉至2.5V以下，且TIMER引脚电压必须小于0.3V才能有效重启。

七、应用设计

（一）设计要求

在设计前，需要明确一些必要参数，如输入电压范围（24V - 48V）、最大工作负载电流（11A）、EN/UVLO和OVLO的上下阈值、最大负载电容（1000pF）、最大环境温度（85°C）、MOSFET的 (R_{theta CA}) 等。这些参数会影响MOSFET的选择和电路的性能。

（二）详细设计步骤

1. 选择 (R{SENSE}) 和 (C{L})

通过监测 (SENSE) 两端的电压来测量实时电流，当 (R{SENSE}) 两端电压超过55mV时，GATE引脚被拉低。使用公式 (R{SENSE}=frac{V{CL}}{I{LIM}}=frac{55 mV}{11 A}=5 m Omega) 计算合适的感测电阻。

2. 选择热插拔MOSFET

选择合适的MOSFET至关重要，要确保其 (V{DS}) 能承受系统的最大输入电压和瞬态期间引入的振铃，SOA能满足启动、热短路和启动到短路等场景， (R{DSON}) 尽可能小以避免过度温升，最大连续电流大于最大负载电流，漏极脉冲电流大于断路器的阈值电流。以KNB2710A为例，可使用公式 (T{C, MAX}=T{A, MAX}+R{theta CA} × I{LOAD, MAX}^{2} × R{DSON, MAX}(T{J})) 计算最大稳态壳温。若单个MOSFET计算的温度值过高，可通过增加MOSFET数量来分散功率耗散，使用公式 (T{C, MAX}=T{A, MAX}+R{OCA} times(frac{I{LOAD, MAX}}{# of MOSFETs })^{2} × R{DSON}(T{J})) 计算。

3. 选择功率限制

通常使用功率限制可降低MOSFET的应力，但功率限制设置过低时，流经MOSFET的电流被控制， (R{SENSE}) 两端的电压会很低。使用公式 (V{SENSE}=frac{P{LIM} × R{SENSE }}{V{DS}}) 计算 (R{SENSE}) 两端的电压，不建议 (V{sense}) 低于5mV以避免低功率限制精度。使用公式 (P{L M, M I N}=frac{V{SENSE, M N} × V{IN,MAX }}{R{SENSE }}) 计算相应的功率限制值，再根据公式 (R{PWR }=1.30 × 10^{5} × R{SENSE } times(P{U M}-1.18 mV × frac{V{D S}}{R{SENSE }})) 计算对应的最小 (R_{PWR}) 。为更精确的功率限制，可选择稍大的功率限制值，如使用33kΩ电阻设置62.1W的功率限制。

4. 设置故障定时器

要确保故障定时器有足够时间，避免在功率限制或电流限制操作期间超时。若设备从启动就处于电流限制状态，使用公式 (t{START,MAX }=frac{C{OUT } × V{IN, MAX }}{L{LW}}) 计算最大启动时间。在本示例中，设备在启动期间从功率限制转换为电流限制，使用公式 (t{START } =frac{C{OUT }}{2} times[frac{V{IN, MAX }^{2}}{P{LM }}+frac{P{UM}}{L{BM}^{2}}]) 估算启动时间。考虑到实际启动时间会比计算时间长，还需考虑设备规格引入的误差，增加50%的时间裕量，使用公式 (C{TIMER }=frac{t{FLT } × I{TMER (TYP) }}{V{TMER(TYP) }} × 1.5) 确定故障定时器电容值。选择稍大电容值的680nF电容，使用公式 (t{F L T}=frac{C{TMER } × V{TMER, TYP}}{I{TMER,TYP }}) 计算故障定时器的编程时间。若系统在该时间内未成功启动，SGM25701将关闭KNB2710A MOSFET。

5. 检查MOSFET SOA

选择功率限制和定时器电容值后，要确认MOSFET的SOA特性。SOA特性描述了MOSFET在一定 (V{DS}) 下能安全运行的时间。在最坏情况下，MOSFET始终处于功率限制状态，电流值为 (P{LIM }/V{IN,MAX }) ，持续时间为 (t{FLT}) 。通过公式 (I{SOA }(t)=a × t^{m}) 、 (m=frac{ln (frac{I{soA }(t{1})}{I{soA }(t{2})})}{ln (frac{t{1}}{t{2}})}) 和 (a=frac{I{s O A}(t{1})}{t{1}^{m}}) 计算相应的安全工作周期。考虑环境温度和运行期间的热增加，使用公式 (I{SOA }(28.9 ms, T{C, MAX })=I{SOA}(28.9 ms, 25^{circ} C) × frac{I{J, ABSMAX}-T{C, MAX}}{I{J, ABSMAX}-25^{circ} C}) 计算近似电流。建议选择的MOSFET计算出的等效电流值超过所需值1.3倍，以提供足够的裕量。

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