TPS2474x：高性能热插拔与ORing控制器的深度解析

在电子设备的设计中，热插拔和ORing功能对于提高系统的可用性和可靠性至关重要。TPS2474x系列控制器为2.5V至18V系统提供了集成的ORing和热插拔解决方案，具备精确且可编程的保护设置，能有效满足高功率、高可用性系统的设计需求。

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一、产品概述

TPS2474x包括TPS24740、TPS24741和TPS24742三款产品，它们采用4mm × 4mm 24 - pin QFN封装。该系列控制器支持2.5V至18V的总线操作（绝对最大30V），具有可编程的保护设置，如电流限制、快速跳闸、反向电压保护等，还具备可编程的响应时间、FET安全工作区（SOA）保护、双定时器（浪涌/故障）、热插拔和ORing功能可互换、模拟电流监测以及故障和电源正常状态标志等特性。

1.1 主要特性

• 宽电压范围：2.5V至18V的总线操作电压，能适应多种电源环境。
• 可编程保护：电流限制精度在10mV时为±5%，快速跳闸精度在20mV时为±10%，反向电压精度在 - 1mV时为±1mV。
• 双定时器：独立的浪涌和故障定时器，可根据系统需求定制保护策略。
• 模拟电流监测：在25mV时精度为1%，为系统提供准确的电流信息。
• 状态标志：提供故障和电源正常状态标志，方便系统监控。
• UV和OV保护：防止过压和欠压对系统造成损害。
• 独立使能：热插拔和ORing功能可独立使能，增加设计灵活性。

二、应用领域

TPS2474x适用于多种应用场景，包括企业存储、电源复用、冗余电源和电池备份等。在这些应用中，它能有效保护负载和电源，提高系统的可靠性和可用性。

2.1 企业存储

在企业存储系统中，热插拔功能允许在不中断系统运行的情况下更换硬盘或其他存储设备，TPS2474x的精确保护设置能确保在热插拔过程中不会对系统造成损害。

2.2 电源复用

通过ORing功能，TPS2474x可以实现多个电源的无缝切换，提高电源的可靠性和可用性。当一个电源出现故障时，系统可以自动切换到其他电源，确保设备正常运行。

2.3 冗余电源

在冗余电源系统中，TPS2474x可以防止反向电流，确保电源之间的安全切换。当主电源故障时，备用电源可以迅速接管，保证系统的持续供电。

2.4 电池备份

在电池备份系统中，TPS2474x可以实现电池的充电和放电管理，同时防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命。

三、详细特性分析

3.1 内部电源ORing

TPS2474x的ORing功能通过内部总线（ (V{INT}) ）实现，该总线由A、C和VDD通过ORing得到。这确保了即使输入或输出短路到地，控制器仍能正常供电和工作。ORing功能的欠压锁定（UVLO）基于 (V{INT}) 导轨，不过该部分可能会从A或C引脚吸取高达3mA的电流，因此建议将连接这些引脚的走线尽量缩短，并避免在路径中添加电阻。

3.2 使能和过压保护

热插拔和ORing部分可以分别通过ENHS和ENOR引脚独立使能。当引脚电压超过1.35V时，控制器启用；当引脚电压低于1.3V时，控制器禁用，具有50mV的迟滞。通过连接电阻分压器到这些引脚，可以在特定总线电压下开启TPS2474x。如果OV引脚电压超过1.35V，ORing和热插拔FET将被关闭。

3.3 电流和功率限制

在启动期间，TPS2474x的电流和功率限制功能可编程，以保护负载、电源和热插拔MOSFET。通过调节栅极电压，确保MOSFET的电流和功率耗散低于预先设定的阈值。最大允许电流 (I{LIM}) 由以下公式确定： [LIM =MINleft(LIM,CL, frac{P{LIM}}{V{DS}}right)] 其中， (LIM,CL) 是编程的电流限制， (P{LIM}) 是编程的功率限制， (V_{DS}) 是热插拔MOSFET的漏源电压。

3.4 两级保护

在启动完成后，TPS2474x不再主动控制HGATE。当电流在电流限制和快速跳闸阈值之间时，定时器开始运行，定时器到期后栅极将被拉低。如果电流超过快速跳闸阈值，HGATE将立即被拉低。

3.5 双定时器

TPS2474x具有两个定时器引脚TINR和TFLT，用户可以根据系统需求定制保护策略。TINR引脚在启动模式下，当设备主动调节栅极以限制MOSFET功率或电流时，提供10.25µA的电流；否则，吸收2µA的电流。TFLT引脚在正常运行且FET电流超过电流限制时，提供10.25µA的电流；否则，吸收2µA的电流。当任何一个定时器引脚电压超过1.35V时，TPS2474x超时。TPS24740和TPS24742会锁定关闭，而TPS24741会进行64个TINR周期的重试。

3.6 软启动考虑

在启动期间，TPS2474x通过调节HGATE来保持FET功率耗散在 (P{LIM}) 范围内。这通过监测IMON电压和内部参考电压的放大器实现。当 (V{IMON}) 低于参考电压时，TPS24740向HGATE提供电流；当 (V{IMON}) 高于参考电压时，吸收电流。在稳态下， (V{IMON}) 将被调节到 (V_{IMON,PL}) 点，此时IHGATE为零。

3.7 快速跳闸响应

TPS24740、TPS24741和TPS24742对快速跳闸事件有不同的响应。当电流超过快速跳闸阈值时，栅极会迅速拉低以减少短路造成的损害。TPS24740在检测到热短路后尝试重启一次，然后保持关闭；TPS24741以约0.5%的占空比持续重试；TPS24742关闭后不再重试。

3.8 可编程反向电压阈值

TPS2474x具有可编程的反向电压阈值。内部比较器检测到RVSNP高于RVSNM时，会关闭ORing MOSFET。通过 (R{RV}) 和99µA电流源预偏置RVSNP，可有效设置反向电压阈值。 (C{RV}) 和 (R_{RV}) 用于过滤ORing FET漏源之间的瞬态。

3.9 模拟电流监测

TPS2474x提供两个模拟电流监测输出：IMON和IMONBUF。IMON更准确，因为它没有第二级误差，但输出阻抗高，节点上的泄漏电流会导致监测误差，且只能支持30pF的电容，满量程范围为675mV。IMONBUF对IMON信号进行3倍缓冲，虽然引入了更多误差，但输出阻抗低，满量程范围大，可驱动高达100pF的电容。

3.10 电源良好标志

TPS2474x的PGHS引脚用作电源良好标志，用于启动下游DC/DC转换器，减少启动期间热插拔MOSFET的应力。当热插拔启用且热插拔MOSFET的 (V{DS}) 低于240mV时，PGHS引脚置位（有1ms消抖）；当热插拔禁用、 (V{DS}) 高于310mV或过流导致定时器超时锁定关闭时，PGHS引脚复位（有8ms消抖）。

3.11 ORing MOSFET状态指示

STAT标志指示BGATE（ORing FET驱动器）的开关状态。在抽取显著负载之前，确保ORing FET开启是良好的做法，以防止ORing FET过热。

3.12 故障报告

当出现以下情况时，TPS2474x会通过拉低FLTb引脚来报告故障：热插拔MOSFET短路故障（ (ENHS = LO) ，但 (VIMON > 101 mV) ）、热插拔定时器超时、ORing MOSFET开路故障（ (ENOR = HI) ，CP正常，但 (V_{AC}>410 mV) ）、CP故障超过32ms、过温关闭（OTSD）。

四、设备功能模式

4.1 ORing功能模式

ORing部分有三种模式：

• 预充电CP：在开始正常操作之前，TPS2474x对CP节点进行充电。此状态在POR/UVLO之后或CP电压低于3.7V时进入。当CP电压高于5.5V时，进入FET OFF状态。
• FET OFF：ORing FET关闭，通过35mA电流源拉低到A。当检测到FET两端的正向电压降（ (V_{AC}>10 mV) ）时，进入FET ON状态。有一个持续20µs的30mA快速上拉，随后是持续的0.3mA上拉。
• FET ON：ORing FET拉高到CP电压。当检测到反向电流（ (RVSNP > RVSNM) ）时，进入OFF状态。有一个持续15µs的0.9A下拉电流，随后是持续的35mA下拉。

4.2 热插拔功能模式

热插拔部分的状态机在POR / UVLO事件后，等待电荷泵启动1.9ms后开始启动。运行后有以下功能模式：

• 浪涌模式（INR）：热插拔控制器主动调节HGATE以满足电流和功率限制设置。如果控制器处于功率或电流限制状态，浪涌定时器运行。如果浪涌定时器超时，栅极将被拉低。TPS24740和TPS24742进入锁定模式，TPS24741进入重试模式。
• 正常运行模式（REG）：一切正常运行，两个定时器放电，HGATE为高。如果出现过流情况（ (V{SNS}>V{SNS, CL}) ），设备进入故障模式；如果出现快速跳闸情况（ (V{SNS }>V{FSTP }) ），栅极以1A / 63µs脉冲拉低。TPS24742进入锁定状态，TPS24740和TPS24741返回浪涌模式重试。
• 故障模式（FLT）：TPS2474x运行故障定时器。定时器到期后，TPS24740和TPS24742进入锁定模式，TPS24741进入重试模式。如果过流情况消除，控制器返回正常运行模式。
• 锁定模式（Latched）：HGATE为低，定时器放电，FLTb置位。如果ENHS出现上升沿，设备将定时器放电并进入浪涌模式。
• 重试模式（Retry）：设备对浪涌定时器进行64次充电和放电后，尝试再次重试。

五、应用与设计

5.1 典型应用示例

文档提供了两个典型应用示例：

• 30A单通道OR然后热插拔带电流监测：使用TPS24740，设计要求包括输入电压范围11V - 13V、最大直流负载电流30A、最大热插拔输出电容1500µF等。设计过程包括选择 (R_{SNS}) 和 (SNS,CL) 设置、快速跳闸阈值和滤波、热插拔FET、功率限制、故障定时器等，并进行MOSFET SOA检查、ORing MOSFET选择、反向电流阈值和滤波设置、欠压和过压设置等。
• 40A单通道热插拔然后ORing：使用TPS24742，设计要求与前一个示例类似，但最大输出电容更大，最大电流更高，且有60A持续200ms的瞬态负载要求。设计过程与前一个示例相似，但需要使用两个定时器来满足负载瞬态要求。

5.2 系统示例

TPS2474x支持多种冗余配置，如电池备份、优先级复用、多负载多电源系统、两个电源驱动一个负载以及冗余DC/DC应用等。在不同的系统配置中，TPS2474x能有效保护负载和电源，确保系统的可靠性和可用性。

六、布局与电源建议

6.1 布局指南

在ORing然后热插拔配置中，TPS2474x的布局应遵循以下最佳实践：

• 确保 (R_{SNS}) 的正确开尔文检测。
• 将滤波电容 (C{FSTP}) 和 (C{RV}) 尽可能靠近IC放置。
• 保持 (C_{CP}) 到CP和A的走线尽可能短。
• 从A和RVSNM到ORing FET源极运行单独的走线，以防止电荷泵噪声和直流偏置干扰反向电流阈值。
• 从C和 (R_{RV}) 到ORing FET漏极运行单独的走线。
• 在热插拔MOSFET源极附近放置肖特基二极管和陶瓷旁路电容，在ORing MOSFET源极附近的 (V_{IN}) 和地之间放置TVS和陶瓷旁路电容。
• 使用单独的走线连接VDD和SENM。
• 特别注意VDD引脚旁路电容的放置，避免在热短路时形成LC滤波器，导致VDD和SENM之间的差分电压超过绝对最大额定值。

6.2 电源建议

一般来说，输入电源应尽量减少噪声和显著的瞬变。对于噪声较大的环境，应调整输入、输出、快速跳闸和反向跳闸的滤波，以避免误跳闸。

七、总结

TPS2474x系列控制器为2.5V至18V系统提供了全面的热插拔和ORing解决方案。其丰富的可编程特性和精确的保护设置，使其适用于各种需要高可靠性和可用性的应用场景。在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择和配置各个参数，同时注意布局和电源的优化，以确保系统的性能和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似的热插拔和ORing设计问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。