TPS2420：5A、20V集成FET热插拔控制器的深度解析

在电子设备的设计中，负载保护和电流控制至关重要。德州仪器（TI）的TPS2420热插拔控制器，为高达20V的应用提供了高度集成的负载保护解决方案。下面，我们将深入了解这款控制器的特性、应用、电气参数以及设计要点。

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一、TPS2420特性亮点

1. 集成MOSFET

TPS2420集成了30mΩ的导通电阻（R_ON）的功率MOSFET，这使得它在处理大电流时能够有效降低功耗，提高效率。例如，在一些对功耗要求较高的应用中，低导通电阻可以减少发热，延长设备的使用寿命。

2. 宽电压范围

支持高达20V的总线操作，最大欠压开启阈值为2.9V，适用于低至3.3V的标准总线电压。这使得它在不同电压等级的系统中都能灵活应用，如在电信设备、RAID阵列等不同电压环境下都能稳定工作。

3. 可编程功能

• 可编程故障电流：通过连接到IFLT引脚的电阻，可以设置故障电流阈值（I_FAULT）。不同的电阻值对应不同的故障电流，如R_FLT = 200kΩ时，I_FAULT为0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ时，I_FAULT为1.8 - 2.2A等。
• 可编程硬电流限制：通过连接到IMAX引脚的电阻，可以设置电流限制阈值（I_MAX）。例如，R_IMAX = 100kΩ时，I_MAX为1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ时，I_MAX为2.6 - 3.4A等。
• 可编程故障定时器：通过连接到CT引脚的电容（C_CT）来设置故障时间。公式为(C{CT}=frac{T{FAULT}}{38.9 × 10^{3}})，其中T_FAULT为最小定时器周期（秒），C_CT为电容值（法拉）。

  4. 其他特性

• 内部MOSFET功率限制折返：确保MOSFET在所有工作状态下都保持在安全工作区（SOA）内，提高了设备的可靠性。
• 模拟电流监测输出（IMON）：可以通过设置R_IMON电阻，实现对输入电流的缩放监测。公式为(R{IMON }=frac{63 k Omega × V{AD _ IN (max )}}{LOAD(max )})，方便系统对负载电流进行实时监测。
• 电源良好输出（PG）和故障输出指示（FLT）：用于系统管理和顺序控制，当输出电压在输入电压的300mV范围内时，PG输出低电平；当故障时间到期或发生热关断时，FLT输出低电平。
• 小封装：采用4mm × 4mm QFN封装，节省了电路板空间，适合在小型化设备中使用。
• 宽温度范围：结温范围为 -40°C至125°C，能够适应不同的工作环境。
• UL2367认证：文件编号E169910，符合相关安全标准。

二、应用领域

TPS2420广泛应用于多个领域，包括但不限于：

• RAID阵列：在RAID系统中，热插拔功能可以方便地更换硬盘，TPS2420可以保护硬盘和电源系统，防止因插拔过程中的电流冲击而损坏设备。
• 电信设备：在电信设备中，对电源的稳定性和可靠性要求较高，TPS2420可以有效保护负载，减少故障发生的概率。
• 插件电路板：在插件式电路板中，热插拔功能可以提高系统的可维护性，TPS2420可以确保插拔过程中的安全性。
• 磁盘驱动器和固态硬盘（SSD）：在磁盘驱动器和SSD的启动和运行过程中，TPS2420可以控制电流，保护设备免受过大电流的损害。
• PCIe：在PCIe接口中，TPS2420可以提供负载保护，确保数据传输的稳定性。
• 风扇控制：在风扇控制电路中，TPS2420可以控制风扇的启动和运行电流，保护风扇和电源系统。

三、电气参数解析

1. 绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
电压范围，VIN，VOUT	-0.3	25	V
电压范围，FLT，PG	-0.3	20	V
输出灌电流，FLT，PG		10	mA
输入电压范围，EN，LTCH	-0.3	6	V
输入电流（LTCH内部钳位到3V），LTCH = 0V		35	μA
电压范围CT，IFLT，IMAX，IMON，LTCH	-0.3	3	V
ESD额定值（人体模型HBM）		2500	V
ESD额定值（带电设备模型CDM）		400	V
工作结温范围，TJ	内部限制		°C
存储温度范围，Tstg	-65	150	°C

需要注意的是，超过绝对最大额定值的应力可能会对设备造成永久性损坏，在设计时应确保工作条件在推荐的范围内。

2. 推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
VIN，VOUT 电压范围	3	20	V
EN 电压范围	0	5	V
FLT，PG 电压范围	0	20	V
FLT，PG 输出灌电流	0	1	mA
LTCH 电压范围	0	3	V
CT 电容值	0.1	100	μF
结温，TJ	-40	125	°C

3. 电气特性

• 输入电源（V_IN）：欠压锁定（V_UVLO）在V_IN上升时，典型值为2.85V，范围为2.6 - 2.9V。偏置电流在不同条件下有所不同，如V_EN = 2.4V时为25 - 100μA，V_EN = 0V时为3.9 - 5mA。
• 输入/输出：导通电阻（R_ON）在特定条件下，典型值为33mΩ，最大值为50mΩ。功率限制（P_LIMIT）在V_IN = 12V，C_OUT = 1000μF，EN从3V变为0V时，最大值为7.5W。反向二极管电压在V_OUT > V_IN，EN = 5V，I_IN = -1A时，典型值为0.77V，最大值为1V。
• 故障电流（FLT）：故障电流阈值（I_FLT）根据不同的R_FLT电阻值有不同的设置，如R_FLT = 200kΩ时，I_FLT为0.8 - 1.2A；R_FLT = 100kΩ时，I_FLT为1.8 - 2.2A等。
• 电流限制（IMAX）：电流限制阈值（I_IMAX）根据不同的R_IMAX电阻值有不同的设置，如R_IMAX = 100kΩ时，I_IMAX为1.6 - 2.4A；R_IMAX = 66.5kΩ时，I_IMAX为2.6 - 3.4A等。
• 故障定时器（CT）：充电/放电电流在不同条件下有不同的值，如I_CT源电流，V_CT = 1V，处于电流限制状态时，典型值为35μA；I_CT灌电流，V_CT = 1V，驱动CT到1V时，典型值为1.4μA。阈值电压在V_CT上升时为1.3 - 1.5V，下降时为0.1 - 0.3V。ON/OFF故障占空比在V_VOUT = 0V时，典型值为3.7%。
• 使能（EN）：阈值电压在V_EN下降时为0.8 - 1.5V，输入偏置电流在不同条件下有所不同，如V_EN = 2.4V（灌电流）时为 -1.5 - 0.5μA，V_EN = 0.2V（源电流）时为0.5 - 2μA。开启传播延迟在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN从2.4V变为0.2V，V_OUT上升到90% × V_IN时，典型值为350μs；关闭传播延迟在V_IN = 3.3V，I_LOAD = 1A，V_EN从0.2V变为2.4V，V_OUT下降到10% × V_IN时，典型值为30μs。
• 故障（IFLT）：低电平输出电压（V_oL）在V_CT = 1.8V，I_FT = 1mA时，典型值为0.2V，最大值为0.4V。泄漏电流（I_IFLT）在V_FLT = 18V时，最大值为1μA。
• 电源良好（PG）：PG阈值（V_PG）在V（V_IN - V_OUT）下降时，典型值为0.5V，范围为0.4 - 0.65V。滞后为0.1 - 0.4V。低电平输出电压（V_oL）在I_PG = 1mA时，典型值为0.2V，最大值为0.4V。泄漏电流（I_PG）在V_PG = 18V时，最大值为1μA。
• 电流监测（IMON）：电流监测输出与负载电流的比例在不同负载电流下有所不同，如I_OUT = 500mA时，比例为30 - 80A/mA；I_OUT = 2A时，比例为50 - 70A/mA；I_OUT = 4.5A时，比例为56 - 66A/mA。偏移电流（源电流）在I_VIN = 0A时，为 -10 - 0μA。钳位电压为2.6 - 2.9V。
• 锁存功能（LTCH）：低阈值电压在自动重试模式下为0.8V，高阈值在锁存模式下为2V。输入偏置电流在V_LTCH = 3.0V时为 -1 - 1μA，V_LTCH = 0.2V时为 -50 - 0μA。
• 热关断：热关断温度在结温上升时为160°C，滞后为10°C。

四、引脚功能及设计要点

1. 引脚功能

引脚名称	引脚编号	输入/输出	描述
EN	16	输入	当该引脚拉低时，设备使能
VIN	2、3	输入	电源输入和控制电源电压
LTCH	6	输入	低电平时，TPS2420在过流故障后尝试重启；浮空或高电平时，设备在过流故障后锁存关闭，直到EN或VIN循环关闭和打开
GND	5		接地
IMAX	7	输入	通过连接到地的电阻设置电流限制水平
IFLT	8	输入	通过连接到地的电阻设置故障电流水平
CT	9	输入/输出	通过连接到地的电容设置故障时间
IMON	13	输出	缩放后的电流，指示通过设备的电流
VOUT	11	输出	连接到负载的输出
PG	14	输出	电源良好低电平表示输出电压在输入电压的300mV范围内
FLT	15	输出	故障低电平表示故障时间到期，FET关闭

2. 设计要点

• CT引脚：连接电容到地设置故障时间。故障定时器在故障电流阈值超过时启动，以36μA的电流从地向1.4V的上限阈值充电。如果电容达到上限阈值，内部通态MOSFET关闭。在自动重试版本中，电容以5μA的电流放电到0.2V，然后重新使能通态MOSFET。当设备禁用时，CT通过100kΩ电阻拉到地。
• FLT引脚：开漏输出，在导致输出打开的任何条件下拉低，如过载故障超时或热关断。当V_IN大于1V时，FLT在欠压之前开始工作。
• IFLT引脚：连接到地的电阻设置故障电流阈值（I_FAULT）。故障电流阈值和电流限制之间的电流在故障定时器设置的时间内可以无阻碍地流动。IFLT不能设置低于1A，以保持故障电流限制阈值的准确性。
• IMAX引脚：通过连接到地的电阻设置电流限制阈值（I_MAX）。I_MAX必须设置得足够大于I_FAULT，以确保即使考虑公差，I_MAX也不会小于I_FAULT。
• EN引脚：拉低该引脚使设备使能。输入阈值具有滞后性，允许用户使用外部RC电路编程启动延迟。EN通过10MΩ电阻拉到V_IN，通过16.8MΩ电阻拉到地，并通过7V齐纳二极管钳位到地。
• VIN引脚：TPS2420设备的输入电压，推荐工作电压范围为3V到18V。所有V_IN引脚应连接在一起并连接到电源。
• VOUT引脚：TPS2420设备的输出连接，开启时输出电压近似为(V{OUT }=V{IN }-0.04 × I_{OUT })。所有V_OUT引脚必须连接在一起并连接到负载。
• LTCH引脚：拉低时，TPS2420在故障后尝试重启；浮空或拉高时，设备在故障后锁存关闭。该引脚内部钳位在3V，并通过串联100kΩ电阻的二极管拉到内部3V电源。
• PG引脚：低电平有效，开漏输出，电源良好表示无故障条件且输出电压在输入电压的0.5V范围内。当V_IN大于1V时，PG在欠压之前开始工作。
• IMON引脚：I_VIN的缩放模拟输出。根据允许的最大A/D输入电压（