深入解析onsemi NCP81428：高性能热插拔智能保险丝的卓越之选

在电子设备的设计中，保护电路免受各种异常状况的影响至关重要。onsemi的NCP81428作为一款PMBus® 兼容的12 V、50 A可复位在线保险丝，为服务器、数据存储、基站和工业应用等领域提供了全面的保护解决方案。下面我们就来详细了解一下这款产品。

文件下载：onsemi NCP81428 PmBus®热插拔智能保险丝.pdf

产品概述

NCP81428集成了0.65 mΩ NMOS FET、高性能热插拔控制器和非易失性存储器（NVM），采用LQFN32封装。它能够有效应对过流、过压、短路和浪涌电流等问题，可配置为单相解决方案，也能在多相应用中作为主设备或从设备，以支持更高的电流需求。

简化框图

关键特性

• 强大的功率处理能力：具备高达80 A的峰值输出电流和50 A的连续输出电流，输入电压工作范围为5至18 V，在待机状态下可承受高达30 V的电压。
• 灵活的控制特性：可通过引脚断言和/或PMBus进行控制，支持外部软启动编程，具备可编程的输入欠压警告和过压故障保护，以及可编程的过流保护（OCP）级别和定时器。
• 出色的并行操作性能：支持多设备并行操作，在并行操作中具有良好的电流平衡能力，可实现软启动电流平衡。
• 全面的保护功能：拥有过温关机、内部FET健康诊断、软启动电流限制和过度软启动持续时间保护等功能，还能记录故障事件和峰值电流，并提供可编程的自动重试/锁存关闭选项。
• 精准的遥测功能：符合PMBus 1.4标准，具备±2%的IMON精度（在30 A及以上），采用10位ADC对输出电流、输入电压、输出电流峰值、输出电压和温度进行测量。

引脚功能与参数

引脚连接与功能

NCP81428的引脚众多，每个引脚都有其特定的功能。例如，SCL和SDA用于PMBus串行通信，ON为使能输入，FAULT#_C和FAULT#_D用于主从设备之间的故障通信等。详细的引脚功能描述如下表所示：	Pin No.	Symbol	Description
1	SCL	PMBus serial clock.Short to GND if not used.
2	SDA	PMBus serial data input/output. Pull-up to 3.3 V if not used.
3	ALERT#	ALERT pin is an Open drain output. A logic low alert signal of the PMBus interface.
4	ON	Active high, enable input.
5	FAULT#_C	Active low Fault communication pin in parallel applcation between master and slave devices. Connect FAULT#_C pins together in parallel applications. This pin is an output on the master and an input on the slave.
6	FAULT#D	Active low Fault communication pin in parallel applcation between master and slave devices. Connect FAULT#_D pins together in parallel application.
7	VINF	Control circuit power supply input.Connecto VIN pins through an RC fiter
8	NC1	Do not connect to this pin. Leave floating.
9	VINO9	Input of high current output switch (MOSFET drain connection).
10	VIN10	Input of high current output switch (MOSFET drain connection).
11	VIN11	Input of high current output swith (MOSFET drain connection).
12	VIN12	Input of high current output switch (MOSFET drain connection).
13	VIN13	Input of high current output switch (MOSFET drain connection).
14	VIN14	Input of high current output switch (MOSFE drain connection).
15	VIN15	Input of high current output swith (MOSFET drain connection).
16	VIN16	Input of high current output switch (MOSFET drain connection).
17	NC2	Do not connect to this pin. Leave floating.
18	VTEMP	Analog temperature monitoring. Connect all VTEMP pins together in parallel applications.
19	SS	Soft-start time programming pin. Connect a capacitor to this pin to set the soft-start time. The internal circuit controls the slew rate of the output voltage at turn-on. Connect all Ss pins together in parallel applications.
20	GND	Ground
21	VDD	Internal linear regulated supply output. Place a capacitor with a value of 4.7 uF or greater on this pin to maintain accuracy.
22	IMON	Analog current monitor output,Connect a 2k resistor between pin and ground. A proportional current to the output current develops a voltage across the resistor. Connect all IMON pins together in parallel applications.
23	PG	Power God, Open Drain output pin. Can be connected to VDD with a 100 kQ pull-up resistor.
24	ADDR	PMBus address-setting pin. Connect a resistor from this pin to GND to set the device address.
25	VOUT25	Output of high current output switch (MOSFET source connection)
26	VOUT26	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
27	VOUT27	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
28	VOUT28	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
29	VOUT29	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
30	VOUT30	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
31	VOUT31	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
32	VOUT32	Output of high current output switch (MOSFET source connection).
33	VIN33	Input of high current output swith (MOSFET drain connection).

电气参数

NCP81428的电气参数在不同的工作条件下有明确的规定。典型值是在 $T{J}=25^{\circ} C$，$VIN=VINF=12.0 ~V$，$V{ON}=3.3 ~V$，$C{VINF}=0.1 \mu F$，$C{VDD}=4.7uF$，$C{SS}=100 nF$ 的条件下测量得到的，而最小/最大值在 $6 ~V ≤VIN ≤18 ~V$，$-40^{\circ} C ≤T{J} \leq+125^{\circ} C$ 的范围内有效。以下是一些关键电气参数的示例：

• VINF输入电流：在 $VON > 1.3 V$ 且无负载的情况下，工作电流为9.5 - 14 mA。
• VDD调节器：输出电压在1 mA < IVINF <10 mA，6 V < VINF < 18 V的条件下为4.7 - 5.3 V。
• ON输入：上升开关导通阈值为1.10 - 1.30 V，开关导通延迟定时器为0.6 - 1.4 ms。
• IMON输出：在不同的输出电流条件下，精度有所不同，例如在IOUT = 30A，VIN = 12V，$T_{J} = 25^{\circ} C$ 时，精度为 -2% 至 +2%。

工作模式与配置

主从初始化与状态机

NCP81428在主从配置中有特定的初始化流程和状态机。上电后，当LDO输出超过VDD UVLO阈值时，设备将默认值加载到操作寄存器中，然后读取地址电阻（RADDR），以确定设备是主设备、从设备还是单设备，以及是否使用双线接口（TWI）进行数据传输。

主设备响应ON引脚的高电平或PMBus命令来启用，启用后可进行自动校准（Auto - Cal）或数据传输。在数据传输过程中，FAULT#_C和FAULT#_D分别作为时钟和数据信号，主设备向从设备传输数据。如果数据传输失败，主设备会尝试3次，若仍失败，则根据工厂设置选择继续使用默认值或关闭设备。

系统配置

NCP81428提供了多种系统配置方式，包括单设备配置、主从配置等。在主从配置中，最多可连接6个从设备。不同的配置方式通过ADDR引脚的电阻值来选择，以实现不同的功能，如启用或禁用NVM数据传输、PMBus通信等。以下是一些常见的配置示例：	配置类型	描述	启用方法	PMBus	TWI	ADDR Pin Resistor
单设备	ON和/或SW	是	否	20.0K NVM Data Transfer Disabled
主设备	ON和/或SW	是	仅用于故障通信	9.31K,14.3K NVM Data Transfer Enabled 20.0K NVM Data Transfer Disabled
单或多从设备	FAULT#_C pulled up by Master	是	26.7K to 73.2K NVM Data Transfer Enabled 86.6Kto 182K NVM Data Transfer Disabled
单或多从设备	-	否	Pulled to VDD (NVM Data Transfer Disabled) Shorted to GND (NVM Data Transfer Enabled)

保护功能

电流限制与软启动

在启动过程中，NCP81428的电流限制取决于输入电压（VIN）和输出电压（VOUT）的相对水平。当VIN < 13.2 V时，不同VOUT/VIN比例下的电流限制不同，例如在0 < VOUT < 0.4xVIN时，典型电流限制为7.5 A。如果电流限制条件持续时间超过 $t{CL _ REG}$，设备将锁存关闭，若处于自动重试模式，则在 $t{DLY _ RETRY}$ 后尝试重新软启动。

短路检测与过流保护

NCP81428内置了高速电流感应SCP放大器，能够快速响应短路故障，在检测到故障后的 $t_{SC}$ 时间内开始拉低栅极电压。设备提供了三个可编程的过流保护级别（OCP），每个级别都可以设置去抖时间和复位定时器，以确保准确检测过流故障。

过温保护与FET故障检测

设备通过内部热传感器监测芯片温度，当温度超过过热警告阈值时，会通知主机采取相应措施；若超过过热关机故障阈值，设备将关闭。此外，NCP81428还具备FET故障检测功能，可检测VIN到VOUT短路、GATE到VIN短路和GATE泄漏等故障，并根据故障类型采取相应的保护措施。

应用电路与设计指南

应用电路组件

NCP81428的应用电路需要一些外部组件来确保其正常工作，以下是一些主要组件的信息：	Component	Manufacturer	Part Number	Value	Case Size	Voltage Rating
RVINF	Vishay	CRCW06031ROOFKEA	1	0603	75V
CVINF	Murata	0603YC104KAT2A	0.1pF	0603	16V
CvDD	Murata	GRM188C81E475KE11D	4.7uF	0603	25V
Rimon	KOA Speer	RK73H1JTTD2001F	2kg	0603	75V
Css	Murata	0603YC104KAT2A	0.1 pF	0603	16V
DIN	LittleFuse	SMBJ13A	Clamping Voltage = 21.5 V, Peak Current = 28 A	DO-214AA, 3.30 mm x4.06 mm	Vr=13V
DoUT	onsemi	MBR2045EMFST3G	20A	8-SOFL,5mmx6mm	45V

瞬态电压抑制

热插拔eFuse容易受到电流突然中断的影响，输入电缆电感会在设备输入产生正电压瞬变尖峰，输出电感会在输出产生负电压尖峰。为了抑制这些尖峰，需要使用外部TVS二极管和二极管进行钳位。用户可以使用公式 $V{Spike }=V{D C}+I_{OUT } × \sqrt{(L / C)}$ 大致估算尖峰电压的大小。

总结

onsemi的NCP81428是一款功能强大、性能卓越的热插拔智能保险丝，它在保护电路免受各种异常状况影响的同时，还提供了灵活的配置选项和精准的遥测功能。无论是在服务器、数据存储、基站还是工业应用中，NCP81428都能为电子设备的稳定运行提供可靠的保障。电子工程师在设计相关电路时，可以充分利用NCP81428的特性，提高产品的性能和可靠性。你在使用类似产品的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。