深入解析 Onsemi FPF2163/64/65 负载开关：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，负载开关的选择至关重要，它直接影响着系统的稳定性、安全性和性能。今天，我们就来详细探讨一下 Onsemi 推出的 FPF2163、FPF2164 和 FPF2165 系列全功能负载开关，看看它们有哪些独特之处以及在实际应用中需要注意的要点。

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一、产品概述

FPF2163、FPF2164 和 FPF2165 是一系列负载开关，专为可能遇到大电流情况的系统和负载提供全面保护。它们内部包含一个 0.12 Ω 电流受限的 P 沟道 MOSFET，能够在 1.8 - 5.5 V 的输入电压范围内工作。当 MOSFET 关闭且输出电压高于输入电压时，内部会阻止电流流动。通过逻辑输入（ON）进行开关控制，该输入能够直接与低电压控制信号接口。

每个器件都具备热关断保护功能，当连续过流情况导致过热时，会关闭开关以防止器件损坏。当开关电流达到电流限制时，器件会进入恒流模式，防止过大电流造成损坏。不同型号在过流处理方式上有所差异：

• FPF2163：具有自动重启功能，若在电流达到限制后 30 ms 内恒流状态仍存在，开关将关闭并拉低故障信号引脚（FLAGB）；若 ON 引脚仍处于激活状态，450 ms 后开关将再次开启。
• FPF2164：没有自动重启功能，开关关闭后，需要对 ON 引脚进行循环操作才能再次开启。
• FPF2165：在电流限制故障后不会关闭，而是会无限期地保持在恒流模式。该系列器件的最小电流限制为 150 mA，并且采用了节省空间的 6 引脚 2X2 MLP 封装。

二、产品特性亮点

2.1 宽输入电压范围与可控开启

输入电压范围为 1.8 至 5.5 V，能够适应多种不同的电源系统。同时，通过逻辑输入（ON）可以实现可控开启，方便与低电压控制信号进行接口，为系统设计提供了更大的灵活性。

2.2 可调电流限制

电流限制范围为 0.15 - 1.5 A，可通过在 ISET 引脚与地之间连接外部电阻进行调节。这种可调性使得设计师可以根据实际应用需求精确设置电流限制，保护系统和负载免受过大电流的损害。

2.3 欠压锁定与热关断保护

欠压锁定功能会在输入电压低于阈值时关闭开关，避免系统在低电压下不稳定运行。热关断保护则能在器件温度过高时自动关闭开关，防止器件因过热而损坏，提高了系统的可靠性和稳定性。

2.4 快速电流限制响应时间

对适度过流的响应时间小于5 μs，对硬短路的响应时间可达 30 ns，能够快速有效地应对过流情况，保护系统安全。

2.5 故障消隐与反向电流阻断

故障消隐功能可以避免在短时间内的干扰信号导致误触发故障信号。反向电流阻断功能则能防止电流从输出端流向输入端，在 USB 电源设计等应用中具有重要意义，可保护 USB 主机免受反向电流的损害。

2.6 环保设计

符合 RoHS 标准，是无铅器件，满足环保要求。

三、引脚配置与说明

Pin	Name	Function
1	ISET	电流限制设置输入：通过连接一个从 ISET 到地的电阻来设置开关的电流限制。
2	V IN	电源输入：为电源开关和 IC 提供输入电压。
3	V OUT	开关输出：电源开关的输出端。
4	FLAGB	故障输出：低电平有效，开漏输出，用于指示过流、电源欠压或过热状态。
5, 7	GND	接地。
6	ON	开关控制输入。

四、工作原理详解

4.1 开关控制

ON 引脚控制开关的状态。当 ON 为高电平时，开关处于开启状态。只要没有故障发生，持续激活 ON 引脚就能使开关保持开启。不过，对于所有型号，当 VIN 出现欠压或结温超过 140°C 时，会优先关闭开关。此外，FPF2163 和 FPF2164 在出现过大电流时也会关闭开关，而 FPF2165 在过流情况下不会关闭，而是保持恒流模式，只要 ON 引脚激活且热关断或欠压锁定未触发。需要注意的是，ON 引脚控制电压和 VIN 引脚有独立的推荐工作范围，ON 引脚电压可以由高于输入电压的电平驱动。

4.2 故障报告

当检测到过流、输入欠压或过热情况时，FLAGB 引脚通过拉低电平来指示故障模式。对于 FPF2163 和 FPF2164，FLAGB 在消隐时间结束时拉低；而对于 FPF2165，FLAGB 会立即拉低。在 FPF2163 的自动重启时间内，FLAGB 保持低电平；对于 FPF2164，FLAGB 会被锁存为低电平，需要对 ON 引脚进行循环操作才能释放；对于 FPF2165，FLAGB 在故障期间为低电平，故障结束后立即返回高电平。由于 FLAGB 是开漏 MOSFET，需要在 VIN 和 FLAGB 之间连接上拉电阻。在关机状态下，FLAGB 的下拉功能会被禁用，以减少电源的电流消耗。

4.3 电流限制

电流限制功能确保通过开关的电流不会超过最大值，同时不会在低于最小值时进行限制。通过选择连接到 ISET 引脚的外部电阻，可以调节电流限制值。FPF2163 和 FPF2164 有一个约 30 ms 的消隐时间，在此期间开关将作为恒流源工作；消隐时间结束后，开关将关闭。FPF2165 没有电流限制消隐期，它将保持恒流状态，直到 ON 引脚失活或热关断功能关闭开关。此外，为了防止在重载或短路时开关产生过大的功耗，引入了短路检测功能。当输出电压低于短路检测阈值电压（VSCTH，设置为 1 V）时，开关进入短路电流限制模式，电流限制值会调整为正常电流限制值的 62.5%；当输出电压回升到约 1.1 V 时，开关退出短路电流限制模式，电流限制恢复正常。

4.4 欠压锁定

当输入电压下降到欠压锁定阈值以下时，欠压锁定功能会关闭开关。当 ON 引脚激活且输入电压上升超过欠压锁定阈值时，会对开关进行可控开启，限制电流过冲。

4.5 反向电流阻断

整个 FPF2163/65 系列都具备反向电流阻断功能，当负载开关关闭且输出电压高于输入电压时，能防止电流从输出端流向输入端。在标准 USB 电源设计中，该功能可以保护 USB 主机免受 VBUS 上反向电流的损坏，且 FLAGB 的操作与反向电流阻断功能独立，即使该功能激活也不会报告故障。

4.6 热关断

热关断功能用于保护芯片免受内部或外部产生的过高温度影响。当出现过热情况时，FLAGB 引脚激活，开关关闭；当芯片温度下降到阈值以下时，开关会自动重新开启。

五、应用信息与设计要点

5.1 典型应用

该系列负载开关适用于多种设备，如 PDA、手机、GPS 设备、MP3 播放器、数码相机等的外设端口以及热插拔电源。在这些应用中，它们能够有效地保护系统免受大电流和过流情况的影响。

5.2 设置电流限制

可以通过在 ISET 和 GND 之间连接外部电阻来设置电流限制，计算公式为 (R{SET }=frac{275.6}{I{LIM}})，其中 (R{SET}) 单位为欧姆，(I{LIM}) 单位为安培。此外，还可以参考文档中提供的表格来选择合适的 (R{SET}) 电阻。例如，对于单个 USB 端口所需的 500 mA 电流，选择 (R{SET}) 为 394 Ω 可以确保端口负载能够吸取 525 mA 但不超过 875 mA 的电流。

5.3 输入与输出电容选择

• 输入电容：为了限制开关开启时由于瞬态浪涌电流导致的输入电源电压下降，需要在 (V{IN}) 和 GND 之间放置一个电容。建议在 (V{IN}) 引脚附近放置一个 4.7 μF 的陶瓷电容 (C_{IN})，若负载电容较大，还可以使用更大值的电容来进一步减小电压降。
• 输出电容：在 (V{OUT}) 和 GND 之间放置一个 0.1 μF 的电容 (C{OUT})，可以防止开关关闭时寄生电路板电感将 (V{OUT}) 拉低到 GND 以下。对于 FPF2163 和 FPF2164，为了防止器件误判过流情况而关闭开关，需要将总输出电容保持在最大值 (C{OUT }(max )) 以下，可通过公式 (C{OUT }(max )=frac{I{LIM }(max ) × t{BLANK }(min )}{V{IN }}) 计算。

5.4 功率耗散计算

在正常开关操作过程中，器件的功率耗散取决于电流限制的设置水平。最大允许的电流限制设置为 1.5 A，此时功率耗散为 (P=left(I{LIM}right)^{2} × R{DS}=(1.5)^{2} × 0.12=270 mW)。当器件进入电流限制状态且输出短路到地时，不同型号的最大功率耗散情况不同：

• FPF2163：功率耗散会根据自动重启时间 (t{RSTRT}) 和过流消隐时间 (t{BLANK}) 进行缩放，最大耗散功率为 (P(max ) =frac{t{BLANK }}{t{BLANK }+t{RSTART }} × V{IN}(max ) × I_{LIM}(max ) =frac{30}{30+450} × 5.5 × 1.5=515.6 mW)。虽然这个功率超过了封装的散热能力，但热关断功能会启动以保护器件。
• FPF2164：需要注意手动复位问题，当结温达到热关断阈值后，只有结温下降才能通过切换 ON 引脚来重新开启开关。
• FPF2165：输出短路时会在恒流状态下工作，最坏情况下的功率耗散为 (P(max ) =V{I N}(max ) × I{LIM}(max ) =5.5 × 1.5=8.25 W)，这会触发热关断功能，只要 ON 引脚激活且短路存在，器件就会在热关断状态间循环。

5.5 电路板布局要点

为了获得最佳性能，所有走线应尽可能短。输入和输出电容应靠近器件放置，以减少寄生走线电感对正常和短路操作的影响。使用较宽的走线来连接 (V{IN})、(V{OUT}) 和 GND，可以减少寄生电气效应，并降低外壳到环境的热阻。此外，将中间焊盘（引脚 7）连接到 PCB 的接地层可以提高负载开关的散热性能。不当的布局可能会导致结温升高，触发热关断保护功能，特别是在开关设置为较高电流限制值且出现过流情况时，开关的功率耗散可能会超过最大绝对功率耗散 1.2 W。

Onsemi 的 FPF2163、FPF2164 和 FPF2165 系列负载开关凭借其丰富的功能、灵活的配置和良好的保护特性，为电子设备的设计提供了可靠的解决方案。在实际应用中，设计师需要根据具体的需求和场景，合理选择型号、设置参数，并注意电路板布局等方面的要点，以确保系统的稳定运行。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。