SGM25711B：2.5V 至 18V 高效热插拔控制器的全面解析

在电子设备的设计中，热插拔功能至关重要，它能让设备在带电状态下安全地插入或拔出电路板，大大提高了系统的可维护性和可靠性。SGM25711B 作为一款高性能的热插拔控制器，为工程师们提供了强大的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下 SGM25711B 的特性、应用以及设计要点。

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一、SGM25711B 概述

SGM25711B 是一款热插拔控制器，允许电路板安全地插入或移除带电背板。它通过内部电路驱动外部 N - MOSFET 开关，控制 2.5V 至 18V 的电源电压。该控制器具有可编程电流限制、功率限制和故障时间设置功能，确保外部 MOSFET 始终在安全工作区域内运行。

特性亮点

1. 宽输入电压范围：输入电压范围为 2.5V 至 18V，适用于多种电源系统。
2. 可编程 MOSFET SOA 保护：可根据实际需求设置 MOSFET 的安全工作区域，提高系统的可靠性。
3. 精确的电流限制：在任何时候都能精确限制电流，确保系统稳定运行。
4. 低电流检测阈值：25mV 的精确电流检测阈值，允许使用更小的检测电阻，从而降低功率损耗和尺寸。
5. 多种输出功能：具备电源良好输出（Power Good Output）和故障输出功能，方便进行状态监测和负载保护。
6. 快速断路器：提供短路保护，确保系统在短路情况下能快速切断电路。
7. 可编程故障定时器：可设置故障时间，当负载电流超过设定值且持续时间超过编程时间时，外部 MOSFET 将关闭，并在故障超时延迟后自动重启。
8. 可编程欠压阈值：可根据系统需求设置欠压阈值，确保系统在电压不足时能正常工作。
9. 绿色 MSOP - 10 封装：符合环保要求，且封装尺寸小，节省电路板空间。

二、引脚配置与功能

引脚配置

SGM25711B 采用 MSOP - 10 封装，其引脚配置如下：	引脚编号	引脚名称	功能描述
1	nPG	电源良好指示引脚（低电平有效，开漏输出），外部 MOSFET 的电压决定其状态。
2	EN	使能引脚，高电平有效，连接到电阻分压器。
3	PROG	功率限制可编程引脚，连接到该引脚的功率限制电阻决定外部 MOSFET 的最大允许耗散。
4	TIMER	故障定时器引脚，该引脚上的外部电容设置插入延迟时间和故障时间延迟，芯片的重启时间也由该电容控制。
5	GND	接地引脚。
6	OUT	电源输出引脚，连接到输出（即外部 MOSFET 源极），芯片通过该引脚监测 MOSFET 的 VDS 电压，以限制 MOSFET 功率并相应控制 nPG 信号。
7	GATE	栅极驱动输出引脚，连接到外部 MOSFET 的栅极。
8	SENSE	电流检测引脚，通过检测输入引脚到该引脚的电压来测量流入检测电阻的电流。
9	VCC	电源输入引脚，建议在该引脚附近放置一个小的旁路电容。
10	nFLT	故障事件指示引脚，当外部 MOSFET 因过载故障定时器关闭时，该引脚变为低电平。

引脚功能详细解析

1. VCC 引脚：具有三个功能，一是为芯片供电；二是作为上电复位（POR）和欠压锁定（UVLO）功能的输入端子；三是 VCC 引脚的引线应直接连接到检测电阻的正端，以便更准确地检测流过电阻的电流，建议使用 0.1μF 的电容。
2. EN 引脚：当 EN 引脚的电压大于 1.35V 时，栅极驱动器开始工作。可添加外部分压电阻来监测输入欠压。当芯片锁定时，下拉然后上拉 EN 引脚可重启芯片，该引脚不能浮空。
3. GATE 引脚：作为 MOSFET（M1）的栅极驱动，电荷泵以 33µA 的电流为栅极充电。在正常运行时，VCC 近似等于 Vout，V(GATE - VCC) 被钳位到最大 13.5V。在启动期间，放大器调节输出电流以控制栅极电压并限制浪涌电流。在浪涌期间，TIMER 引脚以 10µA 的电流为电容充电，直到 V(GATE - VCC) 电压超过设定电压（当 VCC = 12V 时为 5.6V），若 V(GATE - VCC) 大于定时器设定电压，TIMER 引脚停止提供电流并开始吸收电流。该引脚在三种情况下会被禁用：
   • 当 V(VCC - SENSE) > 25 mV、VEN 低于下降阈值电压或 VCC 达到 UVLO 的下限阈值时，11mA 的电流吸收器将下拉 GATE 电压。
   • 当 VEN 小于其下降阈值或输出短路且 V(VCC - SENSE) 超过 61.5mV 时，GATE 引脚通过 3.2Ω 电阻下拉，芯片快速跳闸关闭，仍有 11mA 的下拉电流关闭 MOSFET。
   • 若芯片温度超过阈值，芯片通过 17.5kΩ 电阻将 GATE 电荷放电到 GND。在自动重试模式下，芯片将定期重启。GATE 和 GND（或 OUT）引脚之间不应连接电阻。
4. nFLT 引脚：该引脚用于指示故障事件。当 SGM25711B 在电流限制范围内保持足够长的时间，故障定时器到期时，低电平开漏输出将被拉低。SGM25711B 工作在自动重试模式，故障超时将停止外部 MOSFET（M1）的运行，并在 16 个打嗝周期后尝试重启。当故障未消除时，打嗝继续，此时该引脚将被拉低。如果 M1 被 EN、OTSD 或 UVLO 禁用，nFLT 引脚将不会被置位。该引脚在不需要时可以悬空。
5. OUT 引脚：可测量 MOSFET 的漏源电压，功率限制功能也需要该引脚。建议放置肖特基二极管以防止负压，同时该引脚需要连接低 ESR 陶瓷电容到地以旁路高频信号。
6. nPG 引脚：当 MOSFET 的漏源电压小于 230mV 且经过 4ms 的消抖时间后，该引脚的漏极被下拉。当 VDS > 315 mV 时，变为开漏输出。即当 M1 的 VDS 上升时，经过相同的消抖时间后，该引脚呈现高阻态。
7. PROG 引脚：PROG 和 GND 引脚之间的电阻设置 MOSFET 允许的最大功率。不要直接向 PROG 引脚施加电压。当不使用恒定功率限制功能时，用 4.99kΩ 电阻将该引脚连接到地。若需要设置恒定功率，可参考公式 (R{PROG }=frac{3600}{P{LIM} × R{SENSE }}) 计算，其中 (P{LIM }) 是 M1 的功率限制值，(R_{SENSE }) 是 VCC 和 SENSE 引脚之间的检测电阻。
8. SENSE 引脚：该引脚是检测电阻的另一端，通过检测检测电阻两端的电压来限制电流，可参考公式 (I{LIM }{SENSE }}) 。当 V(VCC - SENSE) > 61.5 mV 时，发生快速跳闸关闭。
9. TIMER 引脚：TIMER 和 GND 之间连接一个电容来计时故障时间。当过载发生时，TIMER 以 10μA 的电流充电，否则以 10μA 的电流放电。如果 TIMER 达到 1.35V，MOSFET 将被关闭。该电容设置故障后的重启时间，建议使用最小 1nF 的电容以确保定时器正常工作，电容值可通过公式 (C{TIMER }=frac{10 mu A}{1.35 V} × t{nFLT }) 计算。

三、电气特性与性能

电气特性

SGM25711B 的电气特性在 - 40℃ 至 + 125℃ 的温度范围内进行了测试，典型值在 (T_{J}= + 25^{circ} C) 时给出。以下是部分关键电气特性：	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
VCC UVLO 阈值电压（上升）		2.25	2.35	2.45	V
VCC UVLO 阈值电压（下降）		2.17	2.27	2.37	V
滞回		85			mV
使能时的电源电流		0.32	0.5		mA
禁用时的电源电流	VEN = 0V	4			μA
EN 使能阈值电压（下降）		1.25	1.3	1.35	V
滞回		55			mV
nFLT 输出低电压（吸收 2mA）		35	65		mV
nPG nPG 阈值电压（SENSE - OUT 上升，nPG 变高）		235	315	395	mV
滞回		85			mV
PROG 偏置电压（提供 10µA）		0.65	0.68	0.71	V
TIMER 提供电流（VTIMER = 0V）		8	10	12	µA
OUT 输入偏置电流（VOUT = 12V）		1			µA
GATE 输出电压（VOUT = 12V）		24.5	25.5	26.5	V
钳位电压（注入 10μA 到 GATE）		12	13.5	15	V
SENSE 输入偏置电流（VSENSE = 12V，吸收电流）		15	25		µA
电流限制阈值（VOUT = 12V， - 40℃ ≤ TJ ≤ + 125℃）		22.5	25	27.5	mV
功率限制阈值（VOUT = 2V，RPROG = 25kΩ）		10	14	18	mV
快速跳闸关闭阈值		52.3	61.5	70.7	mV
过温关闭（OTSD）阈值（上升）		145			℃
滞回		15			℃

性能特点

从电气特性可以看出，SGM25711B 在不同参数下都有明确的性能指标，能够满足各种应用场景的需求。例如，精确的电流限制和功率限制功能可以确保系统在安全的电流和功率范围内运行，而过温保护功能则可以防止芯片因过热而损坏。

四、典型应用与设计要点

典型应用电路

SGM25711B 的典型应用电路如下： 在这个电路中，我们可以看到各个元件的连接方式和参数设置。例如，RSENSE 为 2mΩ，用于检测电流；M1 选用 CSD16403Q5 MOSFET；COUT 为 470μF 的电容，用于滤波；RGATE 为 10Ω 的电阻，用于控制 MOSFET 的栅极驱动。

设计要点

1. 选择检测电阻 (R_{SENSE })：根据电气特性表，电流限制电压阈值约为 25mV。为了实现 12A 的峰值电流限制，选择 2mΩ 的电阻。同时，要注意电阻的功率损耗，选择合适的规格。计算公式为 (R{SENSE }=frac{V{VCC cdot SENSE }}{I{LIM}}) ，即 (R{SENSE}=frac{25 mV}{12 A} approx 2 m Omega) 。
2. 选择 MOSFET (M_{1})：SGM25711B 设计用于栅源电压额定值为 20V 的 MOSFET。对于较低栅源电压的 MOSFET，可以使用外部齐纳二极管来保持栅源电压的峰值在绝对额定值内。同时，要考虑漏源电压，建议在输入端添加外部 TVS 以防止输入电压的浪涌。此外，MOSFET 的 (V{DS(MAX) }) 额定值应至少为电源值的两倍。电压跨 MOSFET 应小于 nPG 最小阈值 235mV，在 12A 电流限制条件下，最大导通电阻要求为 19mΩ。可参考公式 (R{DSON(MAX) }=frac{T{J(MAX)}-T{A(MAX)}}{I{MAX }^{2} × R{Theta JA}}) 计算相应环境温度下的最大导通电阻。
3. 选择功率限制 (P{LIM }) 和 (R{PROG})：M1 在启动期间消耗大量功率，要避免设备在短时间内温度上升到绝对最大值。假设最大值为 130℃，可参考公式 (P{LIM } leq 0.8 × frac{T{J(MAX)2}-left[left(I{MAX }^{2} × R{DSON } × R{Theta CA }right)+T{A(MAX)}right]}{R{Theta JC}}) 计算最小 (P{LIM }) 。然后根据公式 (R{PROG }=frac{3600}{P{LIM} × R{SENSE }}) 计算 (R{PROG}) ，选择一个接近但大于计算值的电阻。
4. 选择输出电压上升时间 (t{ON}) 和 (C{TIMER})：要确保在定时器电容设定的计时周期结束前，负载电容完全充电，以免触发故障电路。计算公式为 (t{ON }=left{begin{array}{l} frac{C{OUT } × P{LIM }}{2 × I{LIM }^{2}}+frac{C{OUT } × V{CC(MAX) }^{2}}{2 × P{LIM}}-frac{C{OUT } × V{CC(MAX) }}{I{LIM}} if P{LIM}{LIM} × V{CC (MAX)} frac{C{OUT } × V{CC(MAX) }}{I{LIM }} if P{LIM }>I{LIM} × V{CC (MAX)} end{array}right.) 。同时，要考虑为 GATE 引脚电压充电到高于输入电压 5.6V 所需的时间，计算公式为 (t{nFLT }=t{ON}+frac{5.6 V × C{iss}}{I{GATE }}) 。根据计算结果选择合适的 (C{TIMER}) ，可通过公式 (C{TIMER }=frac{10 mu A}{1.35 V} × t{nFLT }) 计算。
5. 计算自动重试模式占空比：根据定时器电容的充电和放电过程，计算自动重试模式的占空比。定时器电容从 0V 充电到 1.35V，再从 1.35V 放电到 0.35V，总时间为 (7.56 ~ms+33 ×5.6 ~ms = 192.36ms) ，自动重试模式占空比为 (7.56 ~ms / 192.36 ~ms = 3.93 %) 。
6. 选择 (R{1}) 和 (R{2}) 用于欠压：根据电气规格中 VENTH 值为 1.35V，选择 UVLO 引脚分压器电阻的值。计算公式为 (V{ENTH }=frac{R{2}}{R{1}+R{2}} × V_{CC}) 。
7. 选择 (R{4}) 、(R{5}) 、(R{GATE }) 和 (C{1})：根据 MOSFET 的实际输入电容值选择合适的栅极电阻。如果 MOSFET 的 (C_{iss }) 小于 200pF，建议使用 33Ω 的栅极电阻。此外，由于 nFLT 和 nPG 引脚为开漏输出，可分配 3