深入剖析LM5069评估板：设计、原理与应用

在电子设计领域，热插拔控制器对于确保系统在带电状态下安全插入和移除设备至关重要。TI的LM5069评估板为工程师提供了一个全面的解决方案，下面我们将详细探讨其设计、工作原理以及应用。

文件下载：LM5069EVAL/NOPB.pdf

评估板概述

LM5069EVAL评估板专为正电压系统设计，是一款功能完备的热插拔控制器板。它搭载了LM5069 - 2，这是该IC的自动重启版本。评估板的主要规格如下：

• 输入电压范围：最大 +78V，受瞬态抑制器（Z1）限制。
• 电流限制：5.5A，误差 ±11.8%。
• Q1功率限制：45W。
• 欠压锁定（UVLO）阈值：34.4V（±4.4%）和32.4V（±2%）。
• 过压锁定（OVLO）阈值：77.7V（±2%）和75.7V（±3.6%）。
• 插入延迟：600ms。
• 故障超时时间：38ms。
• 重启时间：7.7秒。
• 尺寸：4.0” x 1.4”。

评估板配置

评估板的布局清晰，左侧的“BACKPLANE”部分代表背板电压源，垂直虚线是背板电压源与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。虚线右侧是热插拔电路，系统电压连接到输入端子块（J1），外部负载连接到输出端子块（J2）。电容C3和C4模拟负载电路输入的电容，方便在不连接负载的情况下测试LM5069的开启特性。同时，为了确保热插拔电路可靠运行，系统连接器的电源侧需要电容C7，以减少负载电流变化或关闭时产生的电压瞬变。评估板在JMP1的2 - 3引脚和JMP2的1 - 2引脚提供了跳线连接。

工作原理

智能控制功能

LM5069能够智能控制连接到带电电源的负载的电源连接。热插拔电路的主要功能包括开机时的浪涌电流限制和正常运行时的负载电流故障监测。此外，还具备欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）功能，确保仅在系统输入电压处于定义范围内时向负载供电；开机时对串联通态FET（Q1）进行功率限制；以及一个Power Good逻辑输出（PGD）来指示电路状态。

浪涌电流限制

当向LM5069施加输入电压（如SW1开启）时，Q1最初会被关闭插入延迟时间（约600ms），以让输入的振铃和瞬变平息。插入延迟结束后，如果VIN的输入电压在UVLO和OVLO阈值之间，Q1将以受控方式开启，以限制浪涌电流。LM5069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的功率耗散限制在峰值45W。随着漏源电压的降低（输出电压增加），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（5.5A）时，电流将保持恒定，直到输出电压达到输入电压，此时漏极电流将降至由负载决定的值，Q1的栅源电压将增加到比OUT电压高约12V，电路进入正常运行模式。

故障监测与重启

正常运行时，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5.5A（R10两端为55mV），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，故障定时器会限制故障持续时间。故障超时时间结束（约38ms）后，Q1将关闭，切断负载电流。LM5069 - 2每7.7秒尝试重启一次，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。在突然过载（输出短路到地）的情况下，电流可能增加得比电流限制电路的响应时间快，此时当R10两端的电压达到约105mV时，断路器传感器会迅速关闭Q1的栅极。当电流降至电流限制阈值时，电流限制电路将接管控制。

Power Good逻辑输出

PGD逻辑输出在开机时为低电平，当OUT的输出电压增加到距输入电压1.25V以内时，切换为高电平，表示开机过程基本完成。如果由于故障导致OUT电压比VIN低超过2.5V，PGD将切换为低电平。PGD的高电平电压可以是高达 +80V的任何适当电压，并且可以高于或低于VIN和OUT的电压。

UVLO和OVLO阈值设置

UVLO和OVLO阈值由电阻R1 - R3设置。当UVLO和OVLO引脚的电压分别达到2.5V时，达到相应的阈值。内部21µA电流源为每个阈值提供迟滞。

布局与探测注意事项

高压安全

评估板上的C3、C4、C7、Q1以及电路中的各个点都存在等于VIN的高压。在探测电路时，务必小心，以防止受伤和可能的电路损坏。

布线要求

在最大负载电流（5.5A）下，连接电源和负载的电线尺寸和长度变得重要。连接评估板到电源和负载的电线应绞合在一起，以减少这些引线的电感，从而减少负载电流关闭时产生的高压瞬变。

连接与启动

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。在输入和输出端子分别连接电压表，使用电流表或电流探头监测输入电流。为了监测PGD输出的状态，在J2端子块上从PGOOD到GND连接一个电压表。将拨动开关置于ON位置，逐渐增加输入电压。在达到上UVLO阈值（约34.4V）之前，输入电流应保持小于2mA。达到阈值后，Q1将按照前面描述的方式开启。开机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3.0ms，在4A负载电流且VIN = 36V时约为7.5ms。

电路参数调整

电流限制

电流限制阈值由R10根据公式 (I_{LM} = 55mV / R10) 设置。评估板上R10为10mohm，导致电流限制为5.5A。如果需要更改电流限制阈值，可将R10替换为具有所需值和功率能力的电阻。

功率限制

Q1在开机或故障时的最大功率耗散由R9和R10根据公式 (P{FET(LIM)} = frac{R9}{1.25 × 10^{5} × R10}) 限制。评估板上的组件设置使得 (P{FET(LIM)} = 45W)。由于每次Q1承受最大功率限制条件时都会在内部受到几毫秒的应力，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。

插入时间

插入时间从VIN的输入电压达到7.6V开始，持续时间由公式 (t_{INSERTION} = C8 × 7.24 × 10^{5}) 确定。评估板上的插入时间约为600ms，在此期间，无论VIN的电压如何，Q1都将保持关闭，以让VIN的振铃和瞬变平息。

故障检测与重启

当负载电流增加到故障水平（电流限制阈值5.5A）时，内部电流源会对TIMER引脚的定时电容充电。当TIMER引脚的电压达到4.0V时，故障超时时间结束，LM5069关闭Q1。然后开始重启序列，包括TIMER引脚在4.0V和1.25V之间的七个周期。在第八次高 - 低斜坡期间，当TIMER引脚的电压达到0.3V时，Q1开启。如果故障仍然存在，故障超时时间和重启序列将重复。故障超时时间和重启时间由TIMER电容根据公式 (t{FAULT} = C8 × 4.7 × 10^{4}) 和 (t{START} = C8 × 9.4 × 10^{8}) 确定。

UVLO/OVLO输入电压阈值

评估板的输入电压UVLO阈值约为34.4V（上升）和32.4V（下降），OVLO阈值约为77.7V（上升）和75.7V（下降），这些阈值由电阻R1 - R4确定。每个引脚的阈值电压为2.50V，内部21µA电流源为每个阈值提供迟滞。根据不同的需求，可以通过调整跳线和电阻值来改变这些阈值。

关机与Power Good输出

关机

在电路正常运行时，可以通过将UVLO引脚接地来关闭LM5069，测试点TP1可用于此目的。

Power Good输出

PGOOD逻辑输出指示电路的状态。当电路正常运行（OUT电压在输入电压的1.25V以内）时，PGOOD为高电平；当电路有意或因故障关闭时，PGOOD为低电平。当VIN小于5V时，PGOOD也为高电平。评估板在JMP2的1 - 2引脚提供跳线，通过100kΩ上拉电阻从输出电压为PGD引脚供电。如果需要更改PGOOD的高电平电压，可以将JMP2的跳线移到2 - 3引脚，并向端子P1提供适当的上拉电压。如果需要PGOOD输出有延迟，可以在R8和C6位置添加电阻和电容。

不同版本与性能特性

LM5069 - 1锁存版本

评估板上的LM5069 - 2在检测到故障后会尝试重启，而其配套的热插拔IC LM5069 - 1在检测到故障后会锁存关闭，需要外部控制才能重启。重启可以通过将UVLO引脚瞬间降至2.5V以下，或移除并重新施加VIN的输入电压来实现。

性能特性

文档中提供了多个波形图，展示了不同负载电流下的开机序列、故障超时和重启时间等性能特性，为工程师在实际应用中提供了参考。

物料清单与PCB布局

物料清单

文档详细列出了热插拔电路和背板及负载部分的物料清单，包括每个组件的制造商、型号、封装和值，方便工程师进行采购和替换。

PCB布局

提供了评估板的丝印图、顶层和底层布局图，有助于工程师理解电路板的结构和布线。

TI的LM5069评估板为工程师提供了一个功能强大且灵活的热插拔解决方案。通过深入了解其设计、工作原理和参数调整方法，工程师可以根据具体应用需求进行定制，确保系统的安全和稳定运行。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。