TPS2419：N+1和ORing電源軌控制器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，電源管理始終是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們就來深入探討一款功能強大的電源軌控制器——TPS2419，它在N+1電源供應(yīng)和ORing應(yīng)用中有著出色的表現(xiàn)。

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1. 產(chǎn)品特性與應(yīng)用場景

1.1 特性亮點

TPS2419的特性十分豐富。它能夠控制外部FET實現(xiàn)N+1和ORing功能，可應(yīng)用于3V至16.5V的總線電壓范圍。具備外部使能功能，能對N溝道MOSFET進行有效控制。其快速關(guān)閉設(shè)備的能力可以很好地保護總線的完整性，可編程的關(guān)斷閾值讓設(shè)計更加靈活。軟啟動功能則能減少總線瞬態(tài)，工作溫度范圍為 -40°C至85°C，采用8引腳TSSOP和SOIC封裝，便于在不同的電路板上進行布局。

1.2 應(yīng)用場景

該控制器的應(yīng)用范圍廣泛，常見于N+1電源供應(yīng)、服務(wù)器刀片、電信系統(tǒng)以及高可用性電源模塊等領(lǐng)域。這些應(yīng)用通常需要冗余電源或冗余電源總線來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2. 工作原理與引腳功能

2.1 工作原理

TPS2419與外部N溝道MOSFET配合使用，能實現(xiàn)類似ORing二極管的反向電流保護功能，同時具備MOSFET的高效率。它可以將多個電源供應(yīng)組合到一個公共總線，采用N+1配置，或者組合冗余輸入電源總線。當(dāng) (V{(A - C)}) 超過65mV時，GATE引腳被拉高，MOSFET導(dǎo)通；當(dāng) (V{(A - C)}) 低于可編程的關(guān)斷閾值時，GATE引腳被拉低，MOSFET關(guān)斷。

2.2 引腳功能

• RSET：連接一個電阻到地，用于編程關(guān)斷閾值。當(dāng)該引腳懸空時， (V_{(A - C)}) 關(guān)斷閾值為略微正值。
• EN：當(dāng)該引腳上的電壓大于1.3V時，TPS2419進入正常ORing模式；電壓低于閾值時，GATE引腳被強制拉低。
• RSVD：該引腳必須連接到地。
• GND：設(shè)備接地端，需要與接地平面保持低阻抗連接。
• GATE：連接到外部MOSFET的柵極，控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。
• C：電壓感應(yīng)輸入，連接到模擬二極管的陰極，同時作為柵極驅(qū)動電荷泵和內(nèi)部控制的偏置電源。
• A：電壓感應(yīng)輸入，連接到模擬二極管的陽極，也是BYP引腳電荷泵偏置電源的參考點。
• BYP：內(nèi)部電荷泵輸出端，需要連接一個電容到A引腳，以過濾柵極驅(qū)動電源電壓。

TPS2419：N+1和ORing電源軌控制器的深度解析

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們就來深入探討一款功能強大的電源軌控制器——TPS2419。

1. 產(chǎn)品概述

TPS2419是德州儀器（TI）推出的一款N+1和ORing電源軌控制器，能夠與外部N溝道MOSFET配合使用，實現(xiàn)類似ORing二極管的反向電流保護功能，同時具備MOSFET的高效率。它可以應(yīng)用于多種場景，如N+1電源供應(yīng)、服務(wù)器刀片、電信系統(tǒng)以及高可用性電源模塊等。

1.1 產(chǎn)品特性

• 廣泛的電壓控制范圍：能夠控制3V至16.5V的總線電壓。
• 外部使能功能：通過外部使能引腳（EN），可以在輕負載、高噪聲條件下強制MOSFET關(guān)斷。
• N溝道MOSFET控制：實現(xiàn)對外部N溝道MOSFET的有效控制。
• 快速關(guān)斷保護：能夠快速關(guān)斷設(shè)備，保護總線完整性。
• 可編程關(guān)斷閾值：可以根據(jù)實際需求設(shè)置關(guān)斷閾值。
• 軟啟動功能：減少總線瞬變。
• 寬溫度范圍：工業(yè)溫度范圍為 -40°C至85°C。
• 多種封裝形式：提供8引腳TSSOP和SOIC封裝。

1.2 典型應(yīng)用

TPS2419的典型應(yīng)用包括N+1電源供應(yīng)和輸入電源總線ORing。在N+1電源供應(yīng)中，多個電源并聯(lián)以提供更高的容量或冗余性；在輸入電源總線ORing中，冗余總線可以O(shè)R到一個公共點，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2. 工作原理與引腳功能

2.1 工作原理

TPS2419與外部N溝道MOSFET配合使用，能實現(xiàn)類似ORing二極管的反向電流保護功能，同時具備MOSFET的高效率。它可以將多個電源供應(yīng)組合到一個公共總線，采用N+1配置，或者組合冗余輸入電源總線。當(dāng) (V{(A - C)}) 超過65mV時，GATE引腳被拉高，MOSFET導(dǎo)通；當(dāng) (V{(A - C)}) 低于可編程的關(guān)斷閾值時，GATE引腳被拉低，MOSFET關(guān)斷。

2.2 引腳功能

• RSET：連接一個電阻到地，用于編程關(guān)斷閾值。當(dāng)該引腳懸空時， (V_{(A - C)}) 關(guān)斷閾值為略微正值。
• EN：當(dāng)該引腳上的電壓大于1.3V時，TPS2419進入正常ORing模式；電壓低于閾值時，GATE引腳被強制拉低。
• RSVD：該引腳必須連接到地。
• GND：設(shè)備接地端，需要與接地平面保持低阻抗連接。
• GATE：連接到外部MOSFET的柵極，控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。
• C：電壓感應(yīng)輸入，連接到模擬二極管的陰極，同時作為柵極驅(qū)動電荷泵和內(nèi)部控制的偏置電源。
• A：電壓感應(yīng)輸入，連接到模擬二極管的陽極，也是BYP引腳電荷泵偏置電源的參考點。
• BYP：內(nèi)部電荷泵輸出端，需要連接一個電容到A引腳，以過濾柵極驅(qū)動電源電壓。

3. 電氣特性

3.1 絕對最大額定值

在使用TPS2419時，需要注意其絕對最大額定值，如A、C電壓范圍為 -0.3V至18V，GATE、BYP電壓范圍為 -0.3V至30V等。超過這些額定值可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

3.2 推薦工作條件

推薦的工作條件包括輸入電壓范圍、EN引腳輸入電壓范圍、RSET電阻范圍、BYP電容范圍以及工作結(jié)溫范圍等。在這些條件下，TPS2419能夠正常工作。

3.3 電氣參數(shù)

TPS2419的電氣參數(shù)包括供應(yīng)欠壓鎖定（UVLO）、遲滯、A和C引腳電流、EN引腳閾值電壓、響應(yīng)時間、泄漏電流等。這些參數(shù)對于理解和設(shè)計電路非常重要。

4. 應(yīng)用信息

4.1 N+1電源供應(yīng)

在N+1電源供應(yīng)配置中，多個電源并聯(lián)以提供更高的容量或冗余性。TPS2419與外部MOSFET配合，模擬ORing二極管的功能，隔離轉(zhuǎn)換器輸出與總線，當(dāng)某個電源出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能正常工作。

4.2 輸入電源總線ORing

通過將冗余總線OR到一個公共點，可以提高系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)總線電壓匹配時，兩個MOSFET可能同時導(dǎo)通；當(dāng)某個總線出現(xiàn)故障時，ORing MOSFET會斷開低電壓總線，保護其他總線不受過載影響。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計和噪聲問題

在噪聲較大的系統(tǒng)環(huán)境中，MOSFET的低阻抗和默認的正關(guān)斷閾值電壓可能導(dǎo)致GATE引腳不必要的開關(guān)循環(huán)。為了解決這個問題，可以采取以下措施：

• 使用RSET引腳將關(guān)斷閾值設(shè)置為負值。
• 利用分流電阻，將A和C引腳連接到分流器和FET兩端，增加感測電阻，降低噪聲敏感度。
• 在輕負載條件下，使用EN引腳禁用設(shè)備。

4.4 MOSFET選擇和 (R_{(RSET)}) 設(shè)置

MOSFET的選擇需要考慮電壓額定值、電壓降、功率耗散、尺寸和成本等因素。 (R_{(RSET)}) 的設(shè)置可以根據(jù)所需的關(guān)斷閾值進行計算，以控制允許的靜態(tài)反向電流。

4.5 柵極驅(qū)動、電荷泵和 (C_{(BYP)})

內(nèi)部電荷泵和電流限制器產(chǎn)生典型290μA的柵極驅(qū)動電流。為了避免大的電荷泵電流干擾電壓感測，需要使用低阻抗走線和良好的旁路電容。BYP引腳的電容用于為內(nèi)部高速比較器提供安靜的電源。

4.6 輸入濾波

電壓瞬變、轉(zhuǎn)換器開關(guān)噪聲和紋波等可能導(dǎo)致不必要的開關(guān)循環(huán)，尤其是在輕負載情況下。可以通過輸入濾波來減少這些影響，如使用L-C濾波器或高阻抗鐵氧體磁珠。

5. 設(shè)計流程和布局考慮

5.1 設(shè)計流程

• 保持A和C引腳的噪聲電壓和阻抗較低，可能需要至少0.01μF的電容。
• 選擇2200pF、X7R、25V或50V的陶瓷電容作為 (C_{(BYP)})。
• 根據(jù)電壓降、功率耗散、電壓額定值和柵極電容等因素選擇MOSFET。
• 根據(jù)所選的MOSFET和反向電流考慮選擇 (R_{(RSET)})。
• 確保將RSVD引腳連接到地。

5.2 布局考慮

• 在接地平面上使用TPS2419、MOSFET和相關(guān)組件。
• 確保GND連接短而寬，并有多個過孔連接到地。
• A和C旁路電容應(yīng)靠近引腳，與平面的接地連接長度最小。
• GATE連接應(yīng)短而寬。
• 路由A和C感測線遠離噪聲源，避免MOSFET和TPS2419之間的大接地反彈。
• (R{(SET)}) 和 (C{(BYP)}) 應(yīng)靠近TPS2419，引線要短。

6. 總結(jié)

TPS2419是一款功能強大的N+1和ORing電源軌控制器，具有廣泛的應(yīng)用場景和豐富的特性。在設(shè)計過程中，需要充分考慮其電氣特性、應(yīng)用信息和布局要求，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能夠幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用TPS2419，為電源管理設(shè)計提供有益的參考。

在實際應(yīng)用中，你是否遇到過類似電源管理控制器的問題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。