SGM25702：高性能高侧保护控制器的深度剖析与应用指南

在电子设计领域，对于高侧保护控制器的需求日益增长，尤其是在需要精确控制和可靠保护的应用场景中。SGM25702作为一款具有低静态电流的高侧保护控制器，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为众多工程师的首选。本文将深入探讨SGM25702的特性、工作原理、应用场景以及设计要点，为电子工程师们提供全面的参考。

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一、SGM25702概述

SGM25702是一款专门设计用于驱动高侧N沟道MOSFET的控制器，能够在标准的开关转换和故障条件下智能管理MOSFET。它具备以下显著特点：

1. 宽输入电压范围：支持5.5V至65V的输入电压，适用于多种电源系统。
2. 低静态电流：在禁用模式下，静态电流小于11μA，有助于降低功耗。
3. 可控输出上升时间：通过控制输出电压的恒定上升时间，确保安全连接容性负载。
4. 电荷泵栅极驱动器：为外部N沟道MOSFET提供稳定的驱动电压。
5. 可调欠压锁定（UVLO）和过压保护（OVP）：提供灵活的电压保护功能，增强系统的可靠性。
6. 可编程故障检测延迟时间：允许用户根据实际需求设置故障检测的延迟时间。
7. 电源良好（nPG）输出：指示外部MOSFET的工作状态，方便系统监控。

二、引脚配置与功能

引脚配置

SGM25702采用Green MSOP - 10封装，其引脚配置如下：	引脚	名称	I/O	功能
1	SENSE	I	输入电压检测，通过外部电阻和恒定电流源确定故障检测阈值
2	IN	P	电源电压输入，工作电压范围为5.5V至65V
3	OVP	I	过压保护比较器输入，通过外部电阻分压器设置过压关断阈值
4	UVLO	I	欠压锁定比较器输入，用于设置欠压锁定阈值
5	EN	I	使能输入，控制设备的开启和关闭
6	GND	G	接地引脚
7	TIMER	I/O	定时电容连接引脚，用于设置故障检测延迟时间
8	nPG	O	故障状态输出，开漏输出
9	OUT	I	输出电压检测，连接到外部MOSFET的源极
10	GATE	O	栅极驱动输出，为外部MOSFET提供恒定电流源

引脚功能详解

1. SENSE引脚：该引脚通过外部电阻与恒定电流源（典型值为16μA）相乘来确定故障检测阈值。通过合理选择电阻值，可以精确设置过流保护的阈值。
2. IN引脚：作为电源电压输入引脚，工作电压范围为5.5V至65V。内部上电复位（POR）电路在IN引脚电压超过5.1V时激活。建议在该引脚附近放置一个小陶瓷旁路电容，以减少噪声干扰。
3. OVP引脚：过压保护比较器的输入引脚，通过外部电阻分压器连接到输入电源电压，用于设置过压关断阈值。当OVP引脚电压超过典型值2.0V时，GATE引脚被拉低，但控制器不会锁存关闭。当OVP引脚电压降至典型值1.76V以下时，恢复正常工作。
4. UVLO引脚：欠压锁定比较器的输入引脚，通过电阻分压器网络连接到输入电源电压和地。当EN信号为高电平时，UVLO比较器激活。当UVLO引脚电压超过典型值1.6V时，GATE引脚的下拉组件被禁用，允许输出电压逐渐上升。内部还集成了一个恒定电流源（典型值为5.5µA），确保在开路情况下UVLO引脚保持低电平。
5. EN引脚：使能输入引脚，当EN引脚电压低于0.8V时，设备进入低电流关断状态；当电压超过2.0V时，内部偏置电路和UVLO比较器激活。只有当EN和UVLO都为高电平时，GATE引脚的上拉偏置才会激活。内部还集成了一个恒定电流源（典型值为5µA），确保在开路情况下EN引脚保持低电平。
6. TIMER引脚：定时电容连接引脚，通过外部电容设置VDS和VGS故障检测的等待时间。当该引脚电压超过2.0V时，SGM25702将禁用外部MOSFET并保持锁存关闭状态。当EN、UVLO或VIN（POR）输入先拉低再拉高时，外部MOSFET恢复工作。
7. nPG引脚：故障状态输出引脚，为开漏输出。当外部MOSFET的电压降（VDS）下降到一定程度，使得OUT引脚电压超过SENSE引脚电压时，nPG指示灯激活，输出低电平表示无故障。
8. OUT引脚：输出电压检测引脚，连接到外部MOSFET的源极，用于内部检测VDS和VGS条件。
9. GATE引脚：栅极驱动输出引脚，连接到外部MOSFET，通过内部电荷泵提供恒定电流源（典型值为25µA）为外部MOSFET的栅极充电。GATE和OUT之间的电压差由内部齐纳二极管钳位在17.2V。可以在GATE引脚和GND之间连接一个电容，以减少输出电压的ΔV/Δt。

三、工作原理

启动序列

SGM25702的输入电压范围为5.5V至65V。当设备通过EN引脚超过EN_TH_H阈值（2.0V）启动时，GATE引脚内部的25µA（典型值）电流源开始为外部N沟道MOSFET的栅极充电，同时定时器电容通过6µA（典型值）电流源充电。在C_TIMER电压值达到2V之前，当栅源电压（VGS）达到V_GATE_TH阈值（典型值为6.4V）时，TIMER引脚被内部6mA电流源拉低至0.3V，表明VGS序列完成，内部5µA电流源激活。此后，C_TIMER由TIMER引脚的内部11μA电流源充电，直到N沟道MOSFET的漏源电压（VDS）下降到限制阈值以下（即无VDS故障）或C_TIMER电压值达到TMRH阈值（典型值为2V）（即故障）。

栅极控制

内部电荷泵可以提供高于输出电压的内部偏置，以提升N沟道MOSFET的栅极电压。外部N沟道MOSFET的VGS由内部齐纳二极管限制在17.2V。在正常工作时，GATE引脚通过内部25μA电流源充电至比OUT引脚高约12.2V。当UVLO或EN为低电平时，2mA的下拉电流源可以防止N沟道MOSFET的漏栅电容引起的串扰，避免误导通。当C_TIMER充电至2V阈值或OVP电压超过OVP_TH阈值时，GATE引脚被60mA电流源拉低。

状态条件

SGM25702对各种输入条件的输出响应如下表所示：	输入						输出					状态
EN	UVLO	OVP (典型值)	VIN (典型值)	SENSE - OUT	GATE - OUT	IN电流 (典型值)	GATE电流 (典型值)	TIMER	TIMER > 2V后GATE	nPG
L	L	-	> 5.1V	-	-	0.009mA	2mA 灌电流	低	-	-	禁用
L	H	-	> 5.1V	-	-	0.009mA	2mA 灌电流	低	-	-	禁用
H	L	< 2V	> 5.1V	SENSE > OUT	-	0.37mA	2mA 灌电流		-	H	待机
SENSE < OUT	低	L
H	L	> 2V	> 5.1V	SENSE > OUT	-	0.37mA	60mA 灌电流	低	-	H	待机
H	H	< 2V	> 5.1V	SENSE > OUT	< 6.4V	0.34mA	25µA 源电流	低 6µA 源电流	60mA 灌电流	H	启用
	SENSE < OUT		-	L
H	H	< 2V	> 5.1V	SENSE > OUT	> 6.4V	0.34mA	25µA 源电流	11µA 源电流	60mA 灌电流	H	启用
SENSE < OUT		低	-	L
H	H	> 2V	> 5.1V	SENSE > OUT	-	0.34mA	60mA 灌电流	低	-	H	过压
SENSE < OUT	L
H	H	< 2V	< 5.1V	-	-	0.34mA	2mA 灌电流	低	-	H	上电复位

故障定时器

故障等待时间可以通过连接在TIMER和GND之间的C_TIMER设置，电容将被内部电流源充电至V_TMRH阈值以指示故障条件。当检测到故障时，SGM25702将通过60mA电流源对GATE引脚放电，关闭N沟道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引脚进行电源循环。在启动过程中，有三个电流源用于对定时器电容进行充电或放电。当EN、UVLO和IN都为高电平时，一个恒定的6µA（典型值）电流源对TIMER引脚充电。当VGS序列完成后，另一个恒定的5µA（典型值）电流源对TIMER引脚充电，总充电电流为11µA（典型值）。当EN、UVLO或IN引脚为低电平，或OVP为高电平时，6mA下拉电流源激活，对定时器电容放电并复位定时器。需要注意的是，当宣布VDS故障时，6mA下拉电流源禁用，总充电电流为11µA（典型值），以设置故障等待时间。

重启

SGM25702有两种不同的重启条件：

1. 过流故障（VDS故障）后重启：当宣布VDS故障时，SGM25702锁存关闭并关闭外部N沟道MOSFET，直到EN、UVLO或IN引脚先拉低再拉高。
2. OVP事件后重启：当OVP功能激活时，GATE和OUT引脚被拉低。由于定时器电容放电，SGM25702在OVP事件期间不会锁存关闭，一旦OVP引脚电压降至较低阈值（典型值为1.76V）以下，设备将按照启动序列重启，无需对EN、UVLO或IN引脚进行电源循环。

VDS故障条件

N沟道MOSFET的漏源电压（VDS）由VDS比较器指示。当SENSE电压超过OUT电压时，VDS比较器触发，开漏输出nPG进入高阻抗状态。然后，TIMER将根据VGS序列是否完成，由6µA（典型值）或11µA（典型值）电流源充电。在启动过程中，如果检测到VDS故障，nPG将在整个期间保持高电平。

过流检测

过流检测可以通过VDS故障比较器实现。由于比较器监控SENSE和OUT引脚之间的电压差，VDS故障阈值为： [V{DSTH }=left(R{S} × I{SENSE }right)-V{OFFSET }] MOSFET漏源电流阈值为： [I{DSTH }=frac{V{DSTH }}{R_{DSON }}] 其中，R_DSON是N沟道MOSFET的漏源电阻，OFFSET是VDS比较器的偏移电压，I_SENSE（典型值为16μA）是阈值编程电流。因此，可以通过SENSE引脚的串联电阻设置外部N沟道MOSFET的过流阈值。在启动过程中，芯片允许MOSFET在一定时间内导通过大电流，该时间由外部C_TIMER、TIMER的源电流和故障阈值（V_TMRH）共同决定。当C_TIMER电压达到故障阈值（V_TMRH）时，等待时间结束，栅极以60mA的速率放电。

四、应用信息

SGM25702演示板设计

SGM25702演示板的设计需要考虑以下几个方面：

1. 选择SENSE引脚串联电阻R_S：根据所需的过流阈值和外部N沟道MOSFET的R_DSON选择合适的SENSE引脚电阻R_S。
2. 输出上升时间：在存在大输出电容或对输出电压敏感的下游负载的应用中，可以通过在GATE和GND之间放置电容来减慢输出电压的上升时间。输出上升时间由MOSFET的阈值电平、MOSFET的栅极电容以及GATE和GND之间的外部电容决定。在MOSFET缓慢开启时，需要仔细考虑其安全工作区（SOA），以避免功率损耗损坏设备。
3. 故障检测等待时间：SGM25702提供故障检测等待时间功能，适用于需要在启动或正常运行期间提供一定浪涌电流的应用，如灯具和电机。可以通过连接在TIMER和GND之间的低泄漏电容C_TIMER设置VGS检测或过流检测的等待时间。
4. MOSFET选择：选择外部MOSFET时，需要考虑以下因素：
   • BVDSS应大于系统的最大输入电压，并留出一定余量以应对线路或负载瞬变引起的电压振铃。
   • MOSFET的最大漏极电流应大于SENSE串联电阻设置的过流阈值。
   • 建议选择阈值电压较低的MOSFET，在相同栅极电容条件下更快进入欧姆区域，从而在启动期间使MOSFET保持在SOA内运行。
   • 需要仔细考虑MOSFET在启动和关闭期间可能的最大功率消耗下的SOA和热特性。
   • 尽量使R_DSON尽可能小，以避免温度过高。建议MOSFET的稳态温度低于+125℃。
   • 如果所选外部MOSFET的最大额定VGS小于16V，必须在栅极和源极之间放置齐纳二极管以钳位VGS。此外，外部齐纳二极管的正向电流额定值应超过60mA，以满足故障条件下传导下拉电流的要求。
5. 输入和输出电容：在实际应用中，功率电路中不可避免地存在寄生电感，主要由电线和印刷电路板的布线引起。所有走线电感在MOSFET快速关闭时会在输入侧产生正尖峰，在输出侧产生负尖峰。因此，需要在输入和输出端子使用电容或钳位电路来限制这些电压尖峰的影响。电容值的选择主要与输入电压水平、负载电流水平、走线寄生电感和MOSFET开关速度有关。此外，需要在IN和GND之间放置旁路电容以过滤噪声和电压尖峰。
6. UVLO和OVP：UVLO和OVP都可以通过电阻分压器检测输入电压是否在合适的工作范围内。当输入电压过低时，UVLO引脚电压低于阈值，将通过GATE引脚的2mA电流源关闭MOSFET。UVLO阈值具有180mV的滞后。当输入电压过高时，OVP引脚电压高于阈值，将通过GATE引脚的60mA电流源关闭MOSFET。OVP阈值具有240mV的滞后。可以通过多种方式设置输入电压的欠压和过压阈值，如使用三个电阻设置阈值，或通过两个电阻分压器分别调整UVLO和OVP阈值。
7. 电源良好指示器：当nPG处于逻辑低电平时，建议通过上拉电阻将流入该引脚的电流限制在1mA至5mA范围内。上拉电阻可以连接在IN和nPG之间，任何不超过65V的正电压都可以作为上拉电源。
8. 轻负载和大负载电容：在连接大输出电容和轻负载的情况下，如果设备因故障锁存关闭，GATE引脚内部有60mA的电流源。由于轻负载或高阻抗负载路径，负载电容上的电荷大部分由SGM25702内部消耗。可以通过在OUT引脚串联放电电阻R_0来限制负载电容上的放电电流，但需要注意该电阻会影响过流阈值，因此需要根据R_0的变化调整R_S的值。

反向极性保护

SGM25702可以通过二极管或电阻实现反向极性保护。在使用二极管实现反向极性保护的电路中，使用两个源极相连的MOSFET（Q1和Q2）避免输入反极性时的反向电流。齐纳二极管D3用于保护设备免受MOSFET快速关闭引起的输入电压瞬态损坏。当输入电容足够大以吸收电压瞬态时，可以忽略D3。为避免输入反极性时D3导通，可以将D3与二极管D2串联。二极管D1用于保护IN引脚，防止通过ESD二极管的反向电流。电阻R1用于保护GATE引脚，由于G