TPS24720热插拔控制器：特性、设计与应用

在电子设计领域，热插拔控制器的使用极为广泛，能够确保在带电系统中安全地插入和拔出模块，避免对系统造成损害。其中，德州仪器（TI）的TPS24720热插拔控制器以其丰富的特性和可靠的性能，成为众多工程师的首选。

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产品概述

TPS24720是一款适用于2.5V至18V电源轨的易用型全功能保护设备，其采用3mm×3mm、16引脚的QFN封装，具有诸多显著特性，使其在不同应用场景中都能发挥出色的性能。

特性亮点

• 宽电压范围：支持2.5V至18V的工作电压，可适应多种电源环境，为不同的系统设计提供了广泛的选择。
• 精准电流限制：在启动时能实现精确的电流限制，有效保护电路元件，防止因过大电流对设备造成损坏，确保系统稳定启动。
• 可编程保护功能：具备可编程的FET安全工作区（SOA）保护、可调电流检测阈值和可编程故障定时器，工程师可以根据实际需求灵活设置保护参数，增强了系统的可靠性和灵活性。
• 多种监测与指示输出：提供功率良好（Power-Good）输出、模拟负载电流监测输出、FET故障检测标志等，方便实时监测系统状态，及时发现并处理潜在问题。
• 快速短路保护：拥有快速断路器，可在发生短路时迅速切断电路，保护电源、负载和外部MOSFET，避免故障进一步扩大。
• 低功耗模式：具备低电流待机模式，在系统不需要全功率运行时可降低功耗，提高能源利用效率。

典型应用场景

TPS24720的应用场景非常广泛，包括但不限于服务器背板、存储区域网络（SAN）、电信夹层卡、医疗系统、插件模块和基站等。这些应用场景对系统的可靠性和稳定性要求极高，TPS24720凭借其出色的性能，能够有效满足这些需求。

引脚配置与功能详解

TPS24720的引脚配置和功能设计紧密围绕其特性和应用需求，每个引脚都承担着特定的任务，下面对主要引脚进行详细介绍。

使能与控制引脚

• EN（使能输入）：高电平有效，为芯片提供启动信号。还可配合外部电阻分压器，作为欠压监测的输入，当输入电压低于设定阈值时，可通过拉低EN引脚来关闭芯片。如果芯片因故障而锁定关闭，可通过将EN引脚拉低再拉高来进行复位。
• ENSD（低电流待机模式控制）：将该引脚拉低，可使芯片进入低电流待机模式，此时内部电路全部关闭，PGb、FLTb和FFLTb输出呈高阻态，同时通过一个20kΩ的电阻将GATE引脚拉至地，以降低功耗。在需要快速关闭的应用中，应先通过EN引脚关闭芯片，再拉低ENSD引脚。

  监测与指示引脚

• FFLTb（FET故障指示）：低电平有效，为开漏输出。当VCC高于欠压锁定（UVLO）上升阈值，且EN引脚禁用时IMON引脚电压超过103mV，表明外部MOSFET可能短路，此时FFLTb引脚会被拉低。在ENSD引脚被拉低、芯片温度超过过温保护（OTSD）阈值或VCC低于UVLO下降阈值时，FFLTb引脚呈高阻态。该引脚在不使用时可悬空。
• FLTb（过载故障指示）：同样为低电平有效、开漏输出。当芯片在限流状态下持续时间超过故障定时器设定时间时，FLTb引脚会被拉低。其行为取决于LATCH引脚的状态，若LATCH引脚为高电平或悬空，芯片工作在锁定模式；若LATCH引脚为低电平，芯片工作在重试模式。无论是哪种模式，FLTb引脚都能准确指示故障状态。该引脚在不使用时也可悬空。
• PGb（功率良好指示）：低电平有效，开漏输出，用于与下游的DC/DC转换器或监测电路进行接口。当FET的漏源电压低于170mV，并经过3.4ms的去毛刺延迟后，PGb引脚被拉低，表示芯片已完成启动过程，下游电路可以开始工作。当M1的漏源电压超过240mV时，PGb引脚变为高阻态，提示可能存在过载、短路、过压等故障情况。该引脚在不使用时可悬空。

  驱动与控制引脚

• GATE（外部MOSFET栅极驱动输出）：为外部N沟道MOSFET提供栅极驱动信号。芯片内部的电荷泵可提供30μA的电流，增强外部MOSFET的驱动能力。同时，在GATE引脚与VCC引脚之间存在一个13.9V的钳位电路，可限制栅源电压，确保MOSFET工作在安全范围内。在启动过程中，跨导放大器会调节M1的栅极电压，实现浪涌电流限制。当V(GATE - VCC)超过定时器激活电压（对于VCC = 12V，该电压为5.9V）时，芯片进入断路器模式。GATE引脚可通过三种机制被拉低，以保护电路安全。
• TIMER（故障定时电容连接引脚）：连接一个电容到地，用于确定过载故障的定时时间。当出现过载时，TIMER引脚以10μA的电流对电容进行充电；当V(GATE - VCC)超过定时器激活电压或故障定时器时间到，TIMER引脚以10μA的电流对电容进行放电。M1会在VTIMER达到1.35V时被关闭。在故障自动重试的应用中，该电容还决定了外部MOSFET重新启用的周期。建议使用至少1nF的电容，以确保故障定时器正常工作。

  电流与电压监测引脚

• IMON（模拟负载电流监测输出）：通过连接一个电阻到地，可对电流限制和功率限制进行缩放设置。该引脚的电压与流经检测电阻RSENSE的电流成正比，可用于监测系统中的电流流动。在正常工作时，该引脚不应连接旁路电容或其他负载，以免影响监测精度。
• SENSE（电流检测输入）：连接到RSENSE的负端，可检测该电阻两端的电压，从而实现对负载电流的监测，同时也能监测外部FET的漏源电压。电流限制ILIM由特定公式设定，当V(VCC - VSENSE)超过60mV时，会触发快速跳闸关机，保护电路免受过载或短路的影响。
• SET（电流限制编程设置引脚）：通过连接一个电阻到RSENSE的正端，可对电流限制和功率限制进行缩放设置。该电阻与RIMON和RSENSE共同决定电流限制值，其值可根据相关公式计算得出。

  电源与参考引脚

• VCC（输入电压检测与电源）：为芯片提供偏置电源，同时也是上电复位（POR）和欠压锁定（UVLO）功能的输入引脚。为了减小电压检测误差，VCC引脚的走线应直接连接到RSENSE的正端，并在RSENSE的正端连接一个至少10nF的旁路电容，以稳定电源电压。
• PROG（功率限制编程引脚）：通过连接一个电阻到地，可设置外部MOSFET在浪涌期间允许的最大功率。在实际应用中，可根据MOSFET的最大允许热应力来确定功率限制值，并通过特定公式计算出所需的RPROG电阻值。

工作模式与原理分析

上电插入模式（Board Plug-In）

当热插拔板在TPS24720的控制下插入系统总线时，初始阶段只有旁路电容的充电电流和小偏置电流。此时，芯片处于不活动状态，内部电压需要一段时间来稳定。在这段时间内，GATE、PROG和TIMER引脚被拉低，PGb、FLTb和FFLTb引脚呈高阻态。当内部VCC电压超过约1.5V时，上电复位（POR）电路初始化芯片，启动过程开始。一旦内部电压稳定且外部EN引脚超过其阈值，芯片开始从GATE引脚提供电流，开启MOSFET M1。同时，芯片会监测M1的漏源电压和漏极电流，并通过控制栅极电压来限制漏极电流，确保MOSFET的功率耗散不超过用户设定的功率限制值。

浪涌电流限制模式（Inrush Operation）

在芯片初始化完成且EN引脚激活后，GATE引脚开始增加电压。当VGATE达到MOSFET M1的栅极阈值时，电流开始流入下游的大容量存储电容。当该电流超过功率限制引擎设定的限制值时，反馈回路会调节MOSFET的栅极，使MOSFET电流以受控的方式上升，从而限制电容充电浪涌电流，并将MOSFET的功率耗散限制在安全水平。在GATE引脚启用时，TIMER引脚开始以约10μA的电流对定时电容CT进行充电，直到V(GATE - VCC)达到定时器激活电压（对于VCC = 12V，该电压为5.9V），此时TIMER引脚开始以约10μA的电流对CT进行放电，表示浪涌模式结束。如果在V(GATE - VCC)达到定时器激活电压之前，TIMER超过其上限阈值1.35V，GATE引脚将被拉低，芯片根据LATCH引脚的状态进入锁定模式或自动重试模式。

恒功率引擎工作原理（Action of the Constant-Power Engine）

在启动过程中，恒功率引擎发挥着重要作用。通过连接在PROG和地之间的电阻，可将电路的功率限制设置为特定值。当电流开始流经MOSFET时，其两端的电压为输入电压VCC。恒功率引擎会根据功率限制值和当前电压，允许相应的电流流过MOSFET，并且随着漏源电压的减小，电流会以反比例的方式增加，以保持MOSFET的功率耗散恒定。这种行为类似于折返限流，但能使功率器件在接近其最大能力的状态下工作，从而减少启动时间并最小化所需MOSFET的尺寸。

断路器与快速跳闸功能（Circuit Breaker and Fast Trip）

TPS24720通过检测RSENSE两端的电压来监测负载电流，并设有两个不同的阈值：电流限制阈值和快速跳闸阈值。当负载电流超过电流限制阈值但低于快速跳闸阈值时，约10μA的电流会开始对定时电容CT进行充电。如果CT上的电压达到1.35V，外部MOSFET将被关闭，芯片根据LATCH引脚的状态进入锁定或重启循环，同时故障引脚FLTb会被拉低，以指示故障状态。这种保护机制类似于电子断路器，允许在一定时间内存在过载电流。而快速跳闸阈值则用于保护系统免受严重过载或短路的影响。当RSENSE两端的电压超过60mV的快速跳闸阈值时，GATE引脚会立即以约1A的电流将外部MOSFET的栅极拉至地，实现快速关机。这种快速关机可能会在系统中产生干扰性瞬变，可通过在GATE引脚和MOSFET栅极之间插入一个低值电阻来缓解。快速跳闸电路会将MOSFET保持关闭状态几微秒，然后芯片会缓慢重新开启，让电流限制反馈回路接管M1的栅极控制，最终根据预定条件进入锁定模式或自动重试模式。

自动重启模式（Automatic Restart）

如果LATCH引脚连接到地，当故障导致外部MOSFET M1关闭后，TPS24720会自动启动重启过程。内部控制电路会使用CT来计数16个周期，然后重新启用M1。如果故障仍然存在，这个序列会不断重复。定时器的充电和放电电流比为1:1，在第一个周期，TIMER引脚从0V上升到上限阈值1.35V，然后下降到0.35V后重启；在接下来的16个周期中，以0.35V作为下限阈值。这种小占空比的设计通常能将平均短路功率耗散降低到正常运行水平，避免了在长时间输出短路情况下的特殊热考虑。

PGb、FLTb和定时器操作（PGb, FLTb, and Timer Operations）

• PGb引脚：其开漏输出可基于M1两端的电压提供去毛刺后的浪涌结束指示，对于防止下游DC/DC转换器在其输入电容COUT仍在充电时启动非常有用。在COUT充电约3.4ms后，PGb引脚变为低电平，此时M1已完全开启，电源电路中的任何瞬变都已结束，下游转换器可以安全启动。这种时序安排可防止下游转换器在功率限制引擎允许MOSFET传导由电流限制ILIM设定的全电流之前要求全电流，避免系统启动失败。在芯片成功启动后，当MOSFET M1的漏源电压超过其上限阈值340mV时，PGb引脚会恢复到高阻态，为下游转换器提供警告信号。
• FLTb引脚：作为一个指示器，当负载电流超过编程的电流限制（但不超过快速跳闸阈值）的允许故障定时器周期结束时，FLTb引脚会被拉低。故障定时器在约10μA的电流开始流入外部电容CT时启动，当CT的电压达到TIMER上限阈值1.35V时结束。在其他情况下，FLTb引脚呈高阻态。
• 定时器操作：故障定时器状态需要一个外部电容CT连接在TIMER引脚和地之间，其持续时间为CT从0V充电到上限阈值1.35V的时间。故障定时器在三种情况下开始计数：在浪涌模式下，当MOSFET M1启用时，TIMER开始向定时器电容CT提供电流；当V(GATE - VCC)超过定时器激活电压时，TIMER开始从CT吸收电流。如果在V(GATE - VCC)达到定时器激活电压之前，TIMER达到1.35V，芯片将禁用外部MOSFET M1。在过载故障或输出短路故障时，当负载电流超过编程的电流限制后，TIMER开始向CT提供电流；当CT电压达到上限阈值1.35V时，TIMER开始从CT吸收电流，GATE引脚被拉至地。在故障定时器周期结束后，根据LATCH引脚的状态，TIMER可能进入锁定模式或重试模式。如果在故障定时器周期内，故障电流降至编程的电流限制以下，VTIMER会降低，并且通态MOSFET将保持启用状态。在锁定模式和重试模式下，TIMER的行为有所不同。在锁定模式下，TIMER引脚会周期性地对连接的电容进行充电和放电，直到芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用；在重试模式下，TPS24720会在TIMER对CT进行16个充电和放电周期后尝试重新启动。在第16个充电和放电周期结束时，TIMER引脚被拉至地，然后在GATE引脚提供电流的初始半周期内从0V上升到1.35V。一旦过载故障消除或芯片被UVLO、EN、ENSD或OV禁用，这种周期性模式将停止。

  过温保护（Overtemperature Shutdown）

  TPS24720内置了过温保护电路，当芯片温度超过约140°C时，该电路会禁用栅极驱动器，同时FLTb、FFLTb和PGb引脚会变为高阻态，以保护芯片免受过温损坏。当芯片温度下降约10°C后，芯片将恢复正常工作。

  启动方式（Start-Up of Hot-Swap Circuit by VCC or EN）

  TPS24720有两种启动MOSFET M1的方式：当EN引脚电压高于其上限阈值，且VCC电压高于UVLO上限阈值时，芯片会从GATE引脚提供电流，经过浪涌期后，芯片会完全开启MOSFET M1；或者当VCC电压高于UVLO上限阈值，且EN引脚电压高于其上限阈值时，同样会触发上述过程。通过EN引脚，可在选定的输入电压VCC下启动芯片。为了将负载与输入电源总线隔离，GATE引脚会吸收电流并将MOSFET M1的栅极拉低。MOSFET可在多种情况下被禁用，如UVLO、EN、ENSD、负载电流超过电流限制阈值、负载短路、OV或OTSD等。GATE引脚可通过三种不同的机制被拉低，以确保在各种故障情况下都能及时保护电路。

  低功耗待机模式（Minimization of Power Dissipation at STANDY by ENSD）

  ENSD引脚使TPS24720能够在需要低功耗待机模式的应用中使用。当该引脚电压低于其阈值电压时，所有内部电路将被关闭，GATE引脚通过一个20kΩ的电阻放电至地，从而禁用MOSFET，将功耗降至最低。进入待机模式的正确步骤是先通过EN引脚关闭芯片，然后拉低ENSD引脚。

  MOSFET短路检测（Fault Detection of MOSFET Short With FFLTb）

  FFLTb引脚是TPS24720的一个重要特性，可用于检测MOSFET的短路情况。当EN引脚电压低于其阈值、VCC电压高于UVLO阈值且VIMON > 103mV时，FFLTb引脚会被拉低，表明GATE引脚已关闭，但电流仍在流经RSENSE，这意味着MOSFET可能存在漏源短路故障。

设计与应用实例

设计考虑因素

在设计使用TPS24720的热插拔电路时，需要考虑三个关键场景：启动、热插拔时输出短路（热短路）以及输出和地短路时给电路板上电（启动到短路）。这些场景都会对热插拔MOSFET造成应力，因此在设计电路时，必须确保MOSFET在其安全工作区（SOA）内运行。可以使用TPS24720设计计算器（SLVC563）来辅助进行详细的设计方程计算。

典型应用设计

以一个12V、10A的系统为例，介绍TPS24720的典型应用设计。

设计