深度剖析 TPS2490 和 TPS2491：+48V 热插拔电源管理器评估套件详解

在电子工程领域，热插拔技术是保障系统可靠性和可维护性的关键。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的 TPS2490 和 TPS2491 +48V 热插拔电源管理器评估套件（EVM），它可以让设计者快速了解和评估这两款 IC 的性能。

文件下载：TPS2490EVM-001.pdf

一、TPS2490 和 TPS2491 概述

1.1 特性亮点

• 安全插拔：允许在带电背板上安全插入和移除电路板，这对于需要在线维护的系统至关重要。
• 高侧驱动：采用高侧驱动方式，适用于低 $R_{DS} (on)$ 外部 N 沟道 MOSFET，能有效降低导通损耗。
• 可编程限制：具备可编程电流和功率限制功能，为系统提供全面的安全工作区（SOA）保护。通过灵活配置，可以根据不同的应用需求设置合适的限制值，避免因过流或过功率导致的器件损坏。
• 可编程故障定时器：可消除不必要的关机情况，提高系统的稳定性和可靠性。当出现临时故障时，定时器可以避免立即关断电源，减少对系统的影响。
• 宽电压范围：工作电压范围为 9V 至 80V，最大输入电压可达 100V，能适应多种不同的电源环境。
• 多种工作模式：TPS2490 具有锁存操作模式，而 TPS2491 具备自动重试模式，设计者可以根据具体应用选择合适的模式。
• 静电保护：提供 2kV 人体模型和 500V 充电器件模型（CDM）的静电放电保护，增强了器件的抗干扰能力。

1.2 应用场景

主要应用于 +48V 热插拔环境中的电路板或模块，如通信设备、数据中心服务器等，能够有效保护系统免受插拔过程中的电流冲击和故障影响。

1.3 工作原理

这两款 IC 提供高度集成的电源控制功能，通过最少数量的外部组件就能实现 9V 至 80V 正电源的控制。它们通过操作外部 N 沟道 MOSFET 器件，将电源安全地切换到下游负载。为了确保 MOSFET 在安全工作区内运行，热插拔控制器包含独立可调的电流和功率限制电路。当故障持续超过用户定义的时间时，HSPM 会关闭功率 MOSFET。根据设计选项的不同，TPS2490 会保持锁存关闭状态，直到使能信号循环；而 TPS2491 会在延时后自动重启。

二、+48V 热插拔 EVM 套件介绍

2.1 +48V 热插拔 EVM 主板

• 模块描述：主板包含电源隔离和控制电子元件，构成热插拔接口。其中集成了 TPS2490 或 TPS2491 48V HSPM IC、功率 MOSFET 开关和一些配置电容。此外，还配备了一些额外的开关、插孔、接头和组件，方便进行器件测试和快速修改插件特性。主板上还设置了多个测试点，方便监测电路状态。
• 原理图和物料清单：主板的原理图展示了各个元件的连接关系，物料清单详细列出了所需的元件信息，包括元件数量、参考编号、描述、尺寸、型号和制造商等，为设计者提供了清晰的设计参考。

2.2 +48V EVM 背板

• 功能描述：背板用于模拟 +48V 热插拔系统的背板，提供了香蕉插孔和接头，用于连接 +48V 电源。通过将 EVM 主板插入和拔出背板的 44 针 PCB 边缘连接器（P1B），可以模拟热插拔事件。背板上也设置了测试点，方便监测相关信号。
• 原理图和物料清单：背板的原理图和物料清单同样为设计者提供了详细的设计信息，有助于理解背板的电路结构和元件选择。

2.3 +48V 热插拔 EVM 操作规格

EVM 主板和背板在一定程度上支持用户重新配置，以满足不同负载电流的需求。但在任何情况下，都不应使 EVM 套件超出指定的输入电源和负载电流范围。文档中给出了 EVM 的绝对最大额定值和推荐工作条件，设计者在使用时应严格遵守这些参数，以确保系统的安全和稳定运行。

三、使用前准备

3.1 设备要求

使用 EVM 套件需要以下测试设备：

• 电源：最低要求为 60V DC、6A 的电源。
• 示波器：建议使用 4 通道示波器，配备 3 个电压探头和 1 个电流探头。
• 数字电压表（DVM）：多个 DVM 可以简化 EVM 的使用。

3.2 验证 EVM 操作

设备设置

1. 不要将电源连接到 EVM 板（HPA016 和 HPA018）。
2. 如果已安装，将 EVM 主板（HPA016）从 EVM 背板（HPA018）的 P1B 连接器中移除。
3. 在 EVM 主板上，将开关 S1 设置为 MANU。
4. 在 EVM 背板上，将开关 SW1 设置为 OFF。
5. 打开电源，将电源输出电压设置为 48 ± 0.2V DC，并验证输出电流限制控制设置为至少允许提供 6A 的电流。
6. 关闭电源，按照指定方式将电源连接到 EVM 背板。

功能测试

1. 将 EVM 主板插入 EVM 背板的 P1B 连接器。
2. 按照要求连接示波器探头。
3. 设置示波器通道放大器的比例和时基，并设置触发条件。
4. 打开电源，验证各 DMM 显示的电压值是否符合要求。
5. 将 EVM 背板上的 SW1 开关置于 ON 位置，再次验证 DMM 显示的电压值。
6. 在示波器上验证是否获得与指定波形相似的扫描结果，并验证总开启时间是否符合要求。
7. 将 SW1 恢复到 OFF 位置，拔出 EVM 主板。
8. 如果不再进行测试，关闭电源并断开电缆连接。

四、使用 EVM 套件评估 TPS2490/91 HSPM IC

4.1 测试点

EVM 电路中分布着众多测试点，用于波形监测。文档中分别列出了 EVM 主板和背板的测试点及其相关信号，设计者可以通过这些测试点获取关键信号的信息，以便对电路进行调试和分析。

4.2 输入和输出电容

背板和主板上都提供了两个备用的大容量电容焊盘，可以增加电源端的输入电容和/或负载端的输出电容。在添加大铝电解电容时，应选择合适电压额定值的电容，并注意 PCB 丝印上的极性标记，推荐电压额定值为 100V。

4.3 TIMER 电容

EVM 主板的设备 TIMER 引脚放置了一个 0.1µF 的陶瓷电容（C3），同时还提供了一个备用电容焊盘（C4），以便在需要时增加 TIMER 引脚的电容值。例如，当在 C8 和/或 C9 上添加电容时，0.1µF 的 TIMER 电容可能不够大，需要通过 C4 添加额外的电容。

4.4 PROG 电容

EVM 主板上为设备的 PROG 引脚提供了一个备用陶瓷电容焊盘（C2）。当在 C2 上放置一个小电容时，可以降低初始开启时的浪涌电流斜率，但会延长整个开启时间。

4.5 GATE 电容

为设备的 GATE 引脚提供了一个备用陶瓷电容焊盘（C5）。虽然该设备设计用于功率限制热插拔控制，但通过移除电阻 R4 并在 C5 上添加栅极电容，TPS2490 或 TPS2491 可以用作 dV/dt 热插拔控制器。增加 C5 的值可以增加输出电压的上升时间，推荐的 C5 电容范围为 5nF 至 1µF。在使用 EVM 设计的功率限制控制时，不应在 C5 上放置电容，推荐的 GATE 电容电压额定值为 100V。

4.6 无背板评估

EVM 主板本身可以用于评估 TPS2490 或 TPS2491 设备的所有功能，但无法测试实时热插拔事件的性能。主板上的开关 S1 与背板上的开关 SW1 功能基本相同，区别在于 SW1 在输入电压 VIN 和地之间切换设备的 EN 信号，而 S1 仅在 0.033VIN 和地之间切换 EN 信号。在仅使用 EVM 主板时，需要按照指定方式进行配置，如在插孔 J1 和 J2 之间连接输入电源，添加合适的输入电容，使用开关 S1 开启或关闭设备等，同时输入电源电压必须至少为 42V。

TPS2490 和 TPS2491 +48V 热插拔电源管理器评估套件为电子工程师提供了一个便捷的平台，用于评估和开发相关的热插拔应用。通过合理使用套件中的各个组件和遵循操作规范，设计者可以更好地理解和应用这两款优秀的 IC，为电子系统的设计和优化提供有力支持。你在使用类似评估套件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。