探索LM25061评估板：电子工程师的实用指南

在电子设计领域，热插拔控制器是一项关键技术，它能够确保在带电系统中安全地插入和移除模块，而不会对系统造成损坏。今天，让我们一起深入了解德州仪器（Texas Instruments）的 LM25061 评估板，探讨其特点、工作原理以及如何进行测试和评估。

文件下载：LM25061MM-2EVAL/NOPB.pdf

板卡概述

LM25061EVAL 评估板为设计工程师提供了一个功能齐全的热插拔控制器板，专门为正电压系统设计。该板卡采用了 LM25061 - 2 芯片，这是一款具备自动重启功能的集成电路。以下是该评估板的主要规格：

1. 输入电压范围：+2.9V 至 17V
2. 电流限制：5 安培，±10%
3. Q1 功率限制：15W
4. 欠压锁定（UVLO）阈值：4.7V 和 4.45V
5. 电源良好（PGD）阈值：13V 和 12.5V
6. 插入延迟：213 毫秒
7. 故障超时周期：14.6 毫秒和 12.1 毫秒
8. 重启时间：1.8 秒
9. 尺寸：4.0” x 1.38”

板卡配置

从板卡布局来看，其左侧的“BACKPLANE”部分代表背板电压源，垂直虚线是背板电压源和热插拔电路输入的边界，类似于卡笼系统中的边缘连接器。拨动开关（SW1）用于连接和断开热插拔电路与背板电压源。虚线右侧的电路即为热插拔电路。系统电压应连接到输入端子块（J1），外部负载则连接到输出端子块（J2）。

值得注意的是，电容 C3 和 C4 代表负载电路输入通常存在的电容，在评估板上设置这些电容，无需连接负载即可测试 LM25061 的开启特性。此外，系统连接器的电源侧需要电容 C7，其作用是最小化负载电流变化或关闭时产生的电压瞬变，防止因布线电感产生的电压瞬变超过 LM25061 的绝对最大额定值，从而避免芯片损坏。

工作原理

上电时的浪涌电流限制

LM25061 能够智能控制连接到带电电源的负载的电源连接。热插拔电路的两个主要功能是上电时的浪涌电流限制和正常运行期间对负载电流的故障监测。

当向 LM25061 施加输入电压时，Q1 最初会被关闭插入延迟时间（约 213 毫秒），以允许输入处的振铃和瞬变平息。插入延迟结束后，如果 VIN 处的输入电压高于 UVLO 阈值，Q1 将以受控方式开启，以限制浪涌电流。若不限制浪涌电流，负载电容（C3、C4）充电时电流会非常高，可能损坏边缘连接器、PCB 板迹线以及负载电容。同时，控制负载输入的 dV/dt 可减少可能的电磁干扰（EMI）问题。

LM25061 通过两步过程将浪涌电流限制在安全水平。在开启周期的第一阶段，当 Q1 两端的电压差最大时，通过监测其漏极电流（R10 两端的电压）和漏源电压，将 Q1 的功耗限制在 15W 的峰值。随着漏源电压的降低（输出电压升高），通过控制漏极电流保持其乘积恒定。当漏极电流达到电流限制阈值（5 安培）时，随着输出电压继续升高，电流保持恒定。当输出电压达到输入电压时，漏极电流降低到由负载决定的值，Q1 的栅源电压则升高到最终值，电路进入正常运行模式。

正常运行时的故障监测

正常运行期间，通过上述电流限制电路监测负载电流的故障。如果负载电流增加到 5 安培（R10 两端为 50 mV），Q1 的栅极将被控制以防止电流进一步增加。当电流限制生效时，故障定时器限制故障持续时间。故障超时周期结束后，Q1 关闭，切断负载电流。LM25061 - 2 每 1.8 秒启动一次重启，重启过程包括开启 Q1 并监测负载电流，以确定故障是否仍然存在。故障排除后，电路将在下一次重启时恢复正常运行。

突发过载情况

在突发过载情况下（例如输出短路到地），电流可能增加得比电流限制电路的响应时间更快。此时，当 R10 两端的电压达到约 95 mV 时，断路器传感器会迅速关闭 Q1 的栅极。当电流降低到电流限制阈值时，电流限制电路将接管控制。

电源良好逻辑输出（PGD）

PGD 逻辑电平输出在上电期间为低电平，当 OUT 处的输出电压高于 13V 时切换为高电平；当 OUT 处的电压低于 12.5V 时，PGD 切换为低电平。PGD 的高电平电压可以是高达 +17V 的任何合适电压，并且可以高于或低于 VIN 和 OUT 处的电压。UVLO 阈值由电阻 R1 和 R2 设置，PGD 阈值由电阻 R3 和 R4 设置，UVLO 引脚和 FB 引脚的内部电流源为阈值提供迟滞。

测试与评估

板卡布局和探测注意事项

在给板卡供电时，需要注意以下几点：

1. 探测电路时要小心，防止受伤和可能对电路造成损坏。
2. 在最大负载电流（5A）下，连接电源和负载的电线尺寸和长度很重要。连接评估板和电源的电线应绞合在一起，以最小化这些引线的电感，连接板卡和负载的电线也应如此，以减少负载电流关闭时产生的高电压瞬变。

板卡连接和启动

将输入电压源连接到 J1 连接器，负载连接到 J2 连接器的 OUT 和 GND 端子，使用绞合线。在输入端子和输出端子分别连接电压表，可使用电流表或电流探头监测输入电流。要监测 PGD 输出的状态，在 J2 端子块上从 PGOOD 到 GND 连接电压表。将拨动开关置于 ON 位置。

逐渐增加输入电压，在达到 UVLO 上限阈值之前，输入电流应保持小于 2 mA。达到阈值后，Q1 将按工作原理部分所述开启。在示波器上观察，输入电流会如相关图示所示增加，然后稳定在由负载定义的值。开启时间取决于输入电压、功率限制设置、电流限制设置和最终负载电流，在无负载电流时约为 3.0 毫秒，在 3.7A 负载电流且 VIN = 14V 时约为 6.5 毫秒。

电路参数调整

电流限制

电流限制阈值由 R10 根据公式 (LM = 50 mV / R10) 设置。评估板配备了 10 毫欧的电阻作为 R10，导致电流限制为 5A。若要更改电流限制阈值，可将 R10 替换为所需值和功率能力的电阻。

功率限制

Q1 在开启期间或由于故障产生的最大功率耗散由 R9 和 R10 根据公式 (P{FET(LIM)}=frac{R9}{2.32 × 10^{5} × R10}) 限制。评估板上的组件使 (P{FET(LIM)} = 15W)。开启时，当 Q1 两端的电压较高时，其栅极会被调制以限制漏极电流，使 Q1 的功耗不超过 15W。随着漏源电压的降低，漏极电流增加，保持功耗恒定。当漏极电流达到 R10 设置的电流限制阈值时，电流保持恒定，直到输出电压达到最终值，然后电流降低到由负载决定的值。

由于每次 Q1 承受最大功率限制条件时会在内部承受几毫秒的应力，因此功率限制阈值必须设置得低于 FET 的安全工作区（SOA）图表所示的限制。在该评估板中，功率限制阈值设置为 15W，而 Fairchild FDD8874 数据手册中所示的限制约为 40W。如需更多相关信息，应联系 FET 制造商。

插入时间

插入时间从 VIN 处的输入电压达到 2.6V 开始，其持续时间由公式 (t_{NSFnTON} = C8 × 3.13 × 10^{6}) 确定。在插入时间内，无论 VIN 处的电压如何，Q1 都将保持关闭。此延迟允许 VIN 处的振铃和瞬变平息，然后再通过 Q1 将输入电压应用到负载。评估板上的插入时间约为 213 毫秒。

故障检测和重启

如果负载电流增加到故障水平（电流限制阈值，5A），内部电流源会对 TIMER 引脚处的定时电容充电。当 TIMER 引脚处的电压达到 1.72V 时，故障超时周期结束，LM25061 关闭 Q1。然后开始重启序列，包括 TIMER 引脚在 1.72V 和 1V 之间的七个周期。在第八次高到低的斜坡期间，当 TIMER 引脚处的电压达到 0.3V 时，Q1 开启。如果故障仍然存在，故障超时周期和重启序列将重复。

初始故障超时周期 (t{FAULT(Init)} = CT × 2.15 × 10^{4})，重启故障超时周期 (t{FAULT(Restart)} = CT × 1.776 × 10^{4})，重启时间 (t_{RESTART} = CT × 2.65 × 10^{6})。评估板上的初始故障超时周期为 14.6 毫秒，重启故障超时周期为 12.1 毫秒，重启时间为 1.8 秒。

UVLO 输入电压阈值

编程 UVLO 阈值可设置启用串联通过器件（Q1）的最小系统电压。如果 (V_{SYS}) 低于 UVLO 阈值，Q1 将关闭，切断负载的电源，并提供可编程迟滞。有两种设置 UVLO 阈值的选项：

1. 选项 A：使用两个电阻（R1，R2）设置 UVLO 阈值，具体计算公式如文档所示。
2. 选项 B：将 UVLO 引脚连接到 VIN 以获得最小 UVLO 电平。在评估板上，UVLO 引脚可在拨动开关右侧的 TP1 测试点访问。当 VIN 电压达到上电复位（POR）阈值（约 2.6V）时，Q1 开启。

关机

在电路正常运行时，可通过将 UVLO 引脚接地来关闭 LM25061。拨动开关右侧的测试点 TP1 可用于此目的。

POWER GOOD 和 FB 引脚

上电期间，Power Good 引脚（PGD）在 VIN 电压增加到约 1.6V 以上之前为高电平，然后切换为低电平，并在输入电压继续增加时保持低电平。当板卡输出引脚处的电压高于 13V 时，PGD 切换为高电平；当输出电压低于 12.5V 时，PGD 切换为低电平。此外，如果 UVLO 引脚低于其阈值，无论输出电压如何，PGD 都将切换为低电平。

PGD 引脚的输出电压阈值由 FB 引脚处的两个电阻（R3，R4）设置，具体计算公式如文档所示。PGD 需要上拉电压和上拉电阻，上拉电压（VPGD）可以高达 17V，具有 20V 的瞬态能力，并且可以高于或低于 VIN 和 OUT 处的电压。评估板上 JMP2 的 1 - 2 引脚已跳线，通过 100 kΩ 上拉电阻从输入电压为 PGD 引脚供电。若要更改 PGD 高电平电压，可将 JMP2 上的跳线移至 2 - 3 引脚，并向端子 P1（位于 JMP2 旁边）提供适当的上拉电压。如果需要 PGD 输出延迟，可在 R8 和 C6 位置添加电阻和电容。

不同版本对比

评估板上提供的 LM25061 - 2 在检测到故障后会尝试重启。而其配套的热插拔 IC，LM25061 - 1，在检测到故障后会锁定关闭，需要外部控制才能重启。重启可通过将 UVLO 引脚短暂置于其阈值以下，或移除并重新施加 VIN 处的输入电压来实现。如需获取 LM25061 - 1 的样品，可联系最近的德州仪器销售办公室。

性能特性

文档中提供了多个波形图，展示了不同条件下的性能特性，如插入时间延迟、不同负载下的开启序列、初始故障超时、重启故障超时和重启定时等。这些波形图有助于工程师更直观地了解评估板在各种情况下的工作情况。

物料清单

评估板的物料清单详细列出了所有组件的信息，包括电容、电阻、MOSFET、开关、IC 等，为工程师进行进一步的设计和改进提供了参考。

总结

LM25061 评估板为电子工程师提供了一个全面的热插拔控制器解决方案。通过深入了解其板卡配置、工作原理、测试方法和参数调整，工程师可以更好地利用该评估板进行设计和开发，确保在正电压系统中实现安全、可靠的热插拔功能。在实际应用中，工程师还需要根据具体需求对电路参数进行调整和优化，以满足不同的系统要求。你在使用类似热插拔控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。