深入解析LM25061：低电压功率限制热插拔控制器的设计与应用

在电子设备的设计中，热插拔功能至关重要，它允许在系统运行时安全地插入和移除电路板，提高了系统的可维护性和灵活性。TI的LM25061作为一款正低压功率限制热插拔控制器，为这一需求提供了出色的解决方案。本文将深入探讨LM25061的特性、工作原理、应用以及设计要点，帮助电子工程师更好地理解和应用这款控制器。

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一、LM25061特性概览

1. 工作范围

LM25061的工作电压范围为+2.9V至+17V，具有20V的瞬态承受能力，能适应多种电源环境。

2. 浪涌电流限制

在电路板插入带电电源时，它能有效限制浪涌电流，减少系统电压下降和瞬态干扰，确保系统稳定运行。

3. 可编程功能

• 最大功率耗散：可通过外部电阻设置外部串联N沟道MOSFET的最大功率耗散，确保其在安全工作区域（SOA）内运行。
• 电流限制：电流限制阈值可编程，当检测电阻（(R_{S})）两端电压达到50mV时，负载电流被限制。
• 欠压锁定（UVLO）：可编程欠压锁定阈值和迟滞，确保系统在合适的电压下启动。
• 输出电压监控：可设置输出电压监控阈值和迟滞，通过Power Good（PGD）引脚指示输出电压状态。

  4. 故障保护功能

• 断路器功能：当负载电流急剧增加，超过约两倍电流限制阈值（95mV/(R_{S})）时，快速关闭MOSFET，保护系统安全。
• 故障定时器：可编程故障定时器，避免误触发，在故障发生时采取相应措施。

  5. 其他特性

• 内部高端电荷泵和栅极驱动器，用于驱动外部N沟道MOSFET。
• 提供锁存故障和自动重启两种版本，满足不同应用需求。

二、引脚功能详解

引脚编号	引脚名称	描述
1	SENSE	电流检测输入，测量检测电阻（(R_{S})）两端电压，当电压达到50mV时，负载电流受限，故障定时器启动。
2	VIN	正电源输入，建议在该引脚附近放置小陶瓷旁路电容，抑制负载电流关断时的瞬态干扰。
3	UVLO/EN	欠压锁定，通过外部电阻分压器设置欠压开启阈值，内部20µA电流源提供迟滞，该引脚也可用于远程关机控制。
4	FB	输出反馈，通过外部电阻分压器设置PGD引脚切换的输出电压阈值，内部22µA电流源提供迟滞。
5	GND	电路接地
6	TIMER	定时电容，连接外部电容设置插入时间延迟、故障超时时间和LM25061 - 2的重启时间。
7	PWR	功率限制设置，通过外部电阻与检测电阻（(R_{S})）配合，设置外部串联MOSFET的最大功率耗散。
8	PGD	电源良好指示，开漏输出，当FB引脚和UVLO引脚电压高于阈值时，输出高电平。
9	OUT	输出反馈，连接到输出轨（外部MOSFET源极），内部用于确定MOSFET的(V_{DS})电压以进行功率限制。
10	GATE	栅极驱动输出，连接到外部MOSFET的栅极，引脚电压限制在高于地19.5V。

三、工作原理分析

1. 上电序列

• 当VIN电压初始增加时，外部N沟道MOSFET（Q1）通过GATE引脚的260mA下拉电流保持关断，防止MOSFET因米勒电容充电而误开启。
• 当VIN电压达到POR阈值时，插入时间开始，TIMER引脚的电容（(C_{T})）由5.5µA电流源充电，Q1通过GATE引脚的2mA下拉电流保持关断。
• 插入时间结束后，当(V_{SYS})超过UVLO阈值时，GATE引脚开启Q1，电荷泵提供20µA电流为Q1的栅极电容充电。
• 在输出电压上升过程中，LM25061监控MOSFET Q1的漏极电流和功率耗散，通过浪涌电流限制和功率限制电路控制负载电流。

2. 栅极控制

• 正常工作时，GATE引脚通过内部20µA电流源保持Q1栅极充电，电压由内部19.5V齐纳二极管限制。
• 系统电压初始施加时，GATE引脚通过260mA下拉电流保持低电平，防止MOSFET误开启。
• 插入时间内，GATE引脚通过2mA下拉电流保持低电平，确保Q1在插入时间结束前保持关断。
• 在浪涌电流限制或功率限制模式下，GATE引脚电压被调制以控制电流或功率耗散，同时TIMER引脚电容充电。
• 如果浪涌限制条件持续，TIMER引脚电压达到1.72V时，GATE引脚通过2mA下拉电流拉低，Q1关闭。
• 当系统输入电压低于UVLO阈值时，GATE引脚通过2mA下拉电流拉低，关闭Q1。

3. 电流限制

当检测电阻（(R{S})）两端电压达到50mV时，电流限制阈值达到，GATE电压被控制以限制MOSFET Q1的电流。在电流限制期间，故障定时器启动。若负载电流在故障超时时间结束前降至电流限制阈值以下，LM25061恢复正常运行。为确保正常工作，(R{S})电阻值应不大于200mΩ。

4. 断路器功能

当负载电流急剧增加，检测电阻（(R{S})）中的电流超过约两倍电流限制阈值（95mV/(R{S})）时，GATE引脚的260mA下拉电流迅速关闭Q1，开始故障超时时间。当(R_{S})两端电压降至95mV以下时，260mA下拉电流关闭，Q1的栅极电压由电流限制或功率限制功能决定。

5. 功率限制

LM25061通过监测MOSFET Q1的漏源电压（SENSE到OUT）和通过检测电阻（(R_{S})）的漏极电流，确定Q1的功率耗散。将电流和电压的乘积与PWR引脚电阻设置的功率限制阈值进行比较，若功率耗散达到限制阈值，GATE电压被调制以调节Q1的电流。在功率限制期间，故障定时器启动。

6. 故障定时器与重启

当电流限制或功率限制阈值达到时，Q1的栅源电压被调制以调节负载电流和功率耗散。此时，80µA故障定时器电流源为TIMER引脚的外部电容（(C_{T})）充电。

• LM25061 - 1：在故障超时时间结束时，GATE引脚锁定低电平，(C_{T})通过2.5µA故障电流吸收器放电至地。GATE引脚通过2mA下拉电流保持低电平，直到通过外部控制重新启动。
• LM25061 - 2：提供自动重启序列，故障超时时间结束后，TIMER引脚在1.72V和1V之间循环七次。当TIMER引脚在第八次高到低的斜坡中达到0.3V时，GATE引脚的20µA电流源开启Q1。若故障仍然存在，故障超时和重启序列将重复。

7. 欠压锁定（UVLO）

当输入电源电压（(V{SYS})）大于可编程欠压锁定（UVLO）电平时，串联MOSFET（Q1）开启。通常通过电阻分压器（R1 - R2）设置UVLO电平。当(V{SYS})低于UVLO电平时，UVLO引脚的内部20µA电流源开启，Q1通过GATE引脚的2mA下拉电流保持关断。当(V_{SYS})升高，UVLO引脚电压超过阈值时，20µA电流源关闭，提供迟滞。

8. 关机控制

可通过将UVLO引脚拉至阈值以下，使用开集电极或开漏器件远程关闭负载电流。释放UVLO引脚后，LM25061以浪涌电流和功率限制开启负载电流。

9. 电源良好引脚（PGD）

PGD引脚连接到内部N沟道MOSFET的漏极，需要外部上拉电阻。当FB引脚电压超过阈值时，PGD引脚输出高电平。当UVLO引脚低于阈值时，PGD输出低电平；当VIN电压小于1.6V时，PGD输出高电平。

四、应用设计要点

1. 电流限制电阻（(R_{S})）选择

根据所需的电流限制阈值（(I{LIM})），使用公式(R{S} = 50 mV / I{LIM})计算(R{S})的值。为确保正常工作，(R{S})应不大于200mΩ。同时，考虑电阻的功率额定值和浪涌能力，建议使用开尔文连接技术连接(R{S})到LM25061。

2. 功率限制阈值设置

通过PWR引脚的电阻（(R{PWR})）设置MOSFET Q1的最大功率耗散，计算公式为(R{PWR}=2.32 × 10^{5} × R{S} × P{FET(LIM)})，其中(P{FET(LIM)})是所需的功率限制阈值。为确保功率限制功能正常工作，(R{PWR})应≤150kΩ。

3. 开启时间计算

• 仅电流限制：若电流限制阈值小于最大功率限制阈值对应的电流，开启时间(t{ON}=frac{V{SYS} × C{L}}{I{LIM}})，其中(C_{L})是负载电容。
• 电流限制和功率限制：若电流限制阈值高于最大功率限制阈值对应的电流，开启时间(t{ON}=frac{C{L} × V{SYS}^{2}}{2 × P{FET(LIM)}}+frac{C{L} × P{FET(LIM)}}{2 × I_{LIM}^{2}})。

4. MOSFET选择

• (BV {DSS})额定值应大于最大系统电压（(V{SYS})），并考虑插入或移除电路板时的振铃和瞬态。
• 最大连续电流额定值应基于电流限制阈值（50mV/(R_{S})）。
• 脉冲漏极电流规格（(I{DM})）应大于断路器功能的电流阈值（95mV/(R{S})）。
• 根据器件的SOA图表和热特性确定最大功率耗散阈值，使用LM25061 - 2时，编程的最大功率耗散应与FET的SOA图表定义的最大功率有合理的余量。
• (R_{DS(on)})应足够低，以确保最大负载电流下的功率耗散不会使结温超过制造商的建议。
• 当电路输入电压处于LM25061工作范围的低端（<3.5V）或高端（>14V）时，所选MOSFET应具有合适的栅源阈值电压。
• 若所选MOSFET的(V_{GS})额定值小于19.5V，需在其栅源之间添加外部齐纳二极管，齐纳二极管的正向电流额定值应至少为260mA。

5. 定时器电容（(C_{T})）选择

• 插入延迟：插入时间从VIN达到POR阈值开始，内部5.5µA电流源将(C{T})从0V充电至1.72V，所需电容值(C{T}=frac{t{1} × 5.5 mu A}{1.72 V}=t{1} × 3.2 × 10^{-6})。
• 故障超时时间：
  • LM25061 - 1：(C{T}=frac{t{FAULT} × 80 mu A}{1.72 V}=t_{FAULT} × 4.65 × 10^{-5})
  • LM25061 - 2：故障重启周期的故障超时时间约比初始故障超时时间短18%，(C{T}=frac{t{FAULT} × 80 mu A}{1.42 V}=t_{FAULT} × 5.63 × 10^{-5})
• 重启时间：LM25061 - 2的重启时间(t{RESTART }=C{T} timesleft[frac{7 × 0.72 V}{2.5 mu A}+frac{7 × 0.72 V}{80 mu A}+frac{1.42 V}{2.5 mu A}right])

6. UVLO编程

• 选项A：使用两个电阻（R1，R2）设置UVLO阈值和迟滞，计算公式为(R 1=frac{V{UVH}-V{UVL}}{20 mu A})，(R 2=frac{1.17 V × R 1}{V_{UVL}-1.17 V})。
• 选项B：将UVLO引脚连接到VIN，当VIN电压达到POR阈值（≈2.6V）时，Q1开启。

7. 电源良好和FB引脚设置

使用两个电阻（R3，R4）设置PGD引脚的输出阈值，计算公式为(R 3=frac{V{PGDH}-V{PGDL}}{22 mu A})，(R 4=frac{1.17 V × R 3}{V_{PGDH}-1.17 V})。

五、PCB设计指南

• 将LM25061靠近电路板输入连接器放置，减少连接器到FET的走线电感。
• 在LM25061的VIN和GND引脚附近放置1000pF小电容，减少输入电源线上的瞬态干扰。
• 检测电阻（(R_{S})）应靠近LM25061，并使用开尔文连接技术。
• 高电流路径和返回路径应平行且靠近，减少环路电感。
• 各组件的接地连接应直接连接到LM25061的GND引脚，再单点连接到系统地。
• 为串联MOSFET（Q1）提供足够的散热措施，减少开关过程中的应力。
• 电路板边缘连接器可设计为在电路板移除时先关闭LM25061，再断开电源。

六、系统考虑因素

• 热插拔电路插入的连接器电源侧应存在电容，以吸收负载电流关断时产生的瞬态。
• 若负载具有电感特性，需在LM25061输出端跨接肖特基二极管和负载电容，限制OUT引脚的负向偏移。

七、总结

LM25061作为一款功能强大的低电压功率限制热插拔控制器，为电子工程师提供了可靠的热插拔解决方案。通过合理选择外部组件、优化PCB设计和考虑系统因素，可以充分发挥LM25061的性能，确保系统的稳定性和可靠性。在实际应用中，工程师们还需根据具体需求进行细致的设计和测试，以实现最佳的系统性能。你在使用LM25061的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。