TPS23525：-48V热插拔与双ORing控制器的深度解析

在电信系统的设计中，热插拔控制器起着关键作用，它能确保系统在带电状态下安全地插入或拔出模块，同时保护系统免受各种故障的影响。今天我们就来详细探讨德州仪器（TI）的TPS23525 -48V热插拔与双ORing控制器。

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一、产品概述

TPS23525是一款集成式热插拔和双ORing控制器，专为满足高功率电信系统严格的瞬态要求而设计。其200V的绝对最大额定值使其在雷击浪涌测试（IEC61000 - 4 - 5）中表现出色，软启动电容断开功能可限制浪涌电流，允许使用更小的热插拔FET，同时不影响瞬态响应。400µA的源电流有助于快速恢复，避免系统在雷击浪涌测试中复位。双电流限制功能则使系统更容易通过诸如ATIS 0600315.2013等标准要求的欠压和输入阶跃测试。此外，它还提供了精确的欠压和过压保护，阈值和迟滞均可编程。

二、产品特性

（一）宽电压范围

支持 -10V至 -80V的直流工作电压，绝对最大电压可达 -200V，适应多种复杂的电源环境。

（二）软启动电容断开

在启动时实现软启动，正常运行时断开软启动电容，减少浪涌电流，保护电路元件。

（三）双电流限制

基于 (V{DS}) 实现双电流限制，低 (V{DS}) 时为25mV ± 4%，高 (V_{DS}) 时为3mV ± 25%，有效应对不同工作状态下的电流需求。

（四）可编程保护

可编程的欠压（±1.5%）、过压（±2%）保护以及迟滞（±11%），为系统提供灵活的保护机制。

（五）集成双ORing控制器

调节精度为25mV ± 15mV，快速关断电压为 -6mV ± 4mV，确保系统在冗余电源供电时的稳定运行。

（六）重试功能

超时后自动重试，提高系统的可靠性和稳定性。

（七）封装形式

采用16引脚TSSOP封装，便于PCB布局和焊接。

三、应用领域

TPS23525广泛应用于各种电信设备中，如远程无线电单元、基带单元、路由器和交换机、小型蜂窝基站以及 -48V电信基础设施等。

四、详细特性分析

（一）电流限制

TPS23525采用双电流限制阈值 (CL1) 和 (CL2)，分别适用于低 (V{DS}) 和高 (V{DS}) 情况。这种双级保护方案提高了系统应对电压阶跃和瞬态的能力，同时在启动短路和热短路事件中保护MOSFET。

• 编程CL切换阈值：通过连接从热插拔FET的漏极到TPS23525的D引脚的电阻，可以计算 (V{DS}) 阈值，公式为 (V{DS,SW }=frac{1.5 V timesleft(30 k Omega+R_{D}right)}{30 k Q})。
• 编程CL1和CL2： (I{CL 1}=frac{V{SNS, CL 1}}{R{SNS}})， (I{CL 2}=frac{V{SNS, CL 2}}{R{SNS}})，可根据实际需求设置电流限制。
• 快速比较器：为了应对输出热短路等严重过流事件，采用快速比较器，在过流时迅速拉低栅极电压。

（二）软启动断开

通过在SS引脚和热插拔MOSFET的漏极之间连接电容，可以限制涌入输出电容的电流。TPS23525在栅极引脚和SS引脚之间设置了断开开关和放电电阻，避免了传统热插拔设计中 (C_{SS}) 电容对正常运行的干扰。

（三）定时器

定时器是热插拔中的关键特性，用于管理MOSFET的应力水平。根据不同的工作状态，定时器会向定时器电容源出或吸收电流。当 (V{TMR}) 达到特定电压时，热插拔会超时并关闭。超时后会有冷却期，定时器会进行多次充放电循环，然后尝试重新启动。时间超时 (T{TO}) 可根据 (V{DS}) 和 (I{TMR,SRRS}) 计算。

（四）ORing功能

TPS23525集成了双ORing控制器，可控制外部MOSFET以模拟理想二极管。通过控制MOSFET的 (V_{GS})，将ORing FET两端的正向压降调节到25mV。同时，为了快速响应反向电流，还配备了快速比较器。

五、设备功能模式

TPS23525具有四种不同的运行状态：OFF、插入延迟、启动和正常运行。控制器根据输入电压范围、定时器信号、插入延迟完成信号、快速跳闸信号和内部电源良好信号等进行状态切换。

（一）OFF状态

热插拔FET关闭，控制器等待启动。可能的原因包括输入电压不在有效范围内、热插拔处于冷却状态或VCC低于UVLO阈值。

（二）插入延迟状态

热插拔FET关闭，控制器等待插入延迟结束。在此期间，如果输入电压异常或VCC不足，控制器将返回OFF状态。插入延迟结束后，进入启动状态。

（三）启动状态

控制器开启并对输出电容充电。SS引脚与栅极引脚连接以控制输出dv/dt，采用较低的栅极源电流和电流限制设置，以减少故障时MOSFET的应力。如果出现输入电压异常、定时器超时、VCC不足或快速跳闸等情况，控制器将返回OFF状态。当PG_degl信号变为高电平时，进入正常运行状态。

（四）正常运行状态

热插拔完全开启，SS引脚与栅极引脚断开连接，以提高瞬态响应。采用与D引脚相关的电流限制和快速跳闸阈值，保护MOSFET。如果PG_degl信号变低、定时器超时或VCC不足，控制器将返回OFF状态。

六、应用与实现

（一）应用信息

在设计 -48V热插拔电路时，需要考虑启动、输出热短路、启动到短路、输入雷击浪涌等关键场景。这些场景会对热插拔MOSFET造成较大应力，设计时应确保MOSFET在所有条件下都处于安全工作区域（SOA）内。TI推荐使用产品页面上提供的TPS2352X设计计算器来简化设计过程。

（二）典型应用

以一个 -38V至 -60V、400W保护电路为例，详细介绍了设计步骤：

1. 选择 (R_{SNS})：根据最大负载电流和目标电流限制计算 (R_{SNS})，为系统提供一定的余量。
2. 选择软启动设置：通过计算确定 (C{SS}) 和 (C{SS, VEE}) 的值，以限制涌入电流和提高抗干扰能力。同时，计算启动时间。
3. 选择 (V_{DS}) 切换阈值：根据实际需求设置 (R_{D})，以调整电流限制的切换阈值。
4. 定时器选择：根据系统对电压阶跃和瞬态的要求，选择合适的 (C_{TMR})，以确定热插拔在电流限制下的超时时间。
5. MOSFET选择和SOA检查：选择具有合适 (V{DS}) 额定值、 (R{DSON}) 和安全工作区域的MOSFET，并根据应用中的最大壳温对其SOA进行降额处理，确保MOSFET在各种应力场景下都能正常工作。
6. 输入电容、输入TVS和ORing FET选择：根据系统的雷击浪涌要求，选择合适的输入电容、TVS和ORing FET，以保护电路免受雷击损坏。
7. EMI滤波器考虑：在热插拔后使用EMI滤波器时，需要考虑其电感对电路的影响，添加续流二极管和缓冲器以处理短路时电感中的电流。
8. 欠压和过压设置：通过编程设置欠压和过压保护的阈值和迟滞，添加滤波电容以提高抗干扰能力。
9. 选择 (R{VCC}) 和 (C{VCC}): 为确保VCC内部电源轨的稳定性和合理的上电时间，选择合适的 (R{VCC}) 和 (C{VCC})。
10. 电源良好接口到下游DC/DC：通过PGb引脚控制下游DC/DC转换器，确保在热插拔对大容量电容充电时，下游转换器保持关闭状态。

七、电源供应建议

为确保TPS23525在非理想 -48V总线环境下稳定运行，建议进行以下操作：

1. 对系统中可能遇到的各种瞬态进行测试，特别是未在TI评估模块中测试过的瞬态。
2. 如果启动时预计有较大的输入纹波，增加 (C{SS, VEE}) 与 (C{ss}) 的比值，以减少启动时的输入电流纹波。
3. 当输入电感较大（>40µH）时，可能会导致电流限制环路不稳定或启动时出现振荡。此时可在栅极和VEE之间添加电容，若启动时出现振荡，可添加输入缓冲器。

八、布局注意事项

（一）布局指南

1. VEE和SNS引脚应采用开尔文感应连接到检测电阻，以确保电流检测的准确性。
2. VEE走线应粗而短，以减少IR压降和电流检测误差。
3. 建议使用网络连接将进入 (R_{SNS}) 的电源平面与VEE的开尔文连接分开。
4. 将Neg48Vx滤波电容、UVEN电阻分压器、OV电阻分压器和TMR电容连接到“VEE”，以确保最大精度。
5. Neg48VB、Neg48VA和SNS上的滤波电容应尽可能靠近IC放置。

（二）布局示例

提供了一个布局示例，展示了如何合理安排电路元件，以满足上述布局指南的要求。

九、设备与文档支持

（一）设备支持

TI对第三方产品或服务的信息发布不构成对其适用性的认可或保证。

（二）文档支持

提供了相关文档链接，如TPS23525EVM - 815评估模块用户指南。

（三）文档更新通知

可在ti.com上注册接收文档更新通知。

（四）社区资源

提供了TI E2E在线社区和设计支持的链接，方便工程师交流和获取技术支持。

（五）静电放电注意事项

TPS23525集成电路易受ESD损坏，操作时应采取适当的预防措施。

十、总结

TPS23525是一款功能强大的 -48V热插拔与双ORing控制器，具有多种保护功能和灵活的编程特性，适用于各种电信设备。在设计过程中，需要综合考虑电路的各个方面，包括电流限制、软启动、定时器、ORing功能、设备功能模式、应用场景、电源供应、布局等，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，合理利用TI提供的设计工具和文档支持，可以提高设计效率和质量。大家在实际应用中，有没有遇到过类似热插拔控制器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。