深入解析 TPS2116：低功耗電源多路復(fù)用器的卓越之選

在電源管理領(lǐng)域，電子工程師們總是在尋找性能卓越且功耗低的解決方案。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS2116 電源多路復(fù)用器便是這樣一款引人注目的產(chǎn)品。它具有諸多出色特性，適用于多種應(yīng)用場景。接下來，讓我們一起深入了解 TPS2116 這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品亮點(diǎn)速覽

電氣特性出色

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為 1.6 V 至 5.5 V，能適應(yīng)多種電源。例如在一些備用電池供電系統(tǒng)中，不同電池電壓可能在這個范圍內(nèi)波動，TPS2116 都能可靠工作。
• 低功耗：靜態(tài)電流典型值為 1.32 μA，VIN2 待機(jī)電流典型值僅 50 nA。以備用電池供電系統(tǒng)為例，低功耗可大大延長電池續(xù)航，減少頻繁更換電池的麻煩。
• 大電流承載能力：最大連續(xù)電流可達(dá) 2.5 A，能滿足多數(shù)負(fù)載的功率需求。像一些小型電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，就需要較大電流來保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
• 低導(dǎo)通電阻：導(dǎo)通電阻典型值為 40 mΩ，可降低功耗和發(fā)熱。在大電流工作時，低導(dǎo)通電阻能減少能量損耗，提高電源效率。

靈活的切換模式

具有優(yōu)先模式和手動模式兩種切換模式。優(yōu)先模式下，會優(yōu)先使用 VIN1 電源，當(dāng) VIN1 電壓下降時自動切換到 VIN2；手動模式則允許用戶通過 GPIO 或使能信號切換通道。這種靈活性使得它能適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

輸出控制與保護(hù)功能

• 可控輸出斜率：在 3.3 V 時典型值為 1.3 ms，可控制輸出電壓的上升速度，減少浪涌電流。在高輸出電容的應(yīng)用中，能有效避免過大的浪涌電流對電路造成損壞。
• 反向電流阻斷：當(dāng) VOUT > VINx 時可阻斷反向電流，保護(hù)電源和電路元件。這在電源切換過程中尤為重要，能防止電流倒灌損壞電源。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)芯片溫度過高時，會自動關(guān)斷以保護(hù)器件。在長時間高負(fù)載工作時，可防止芯片因過熱損壞。

應(yīng)用場景廣泛

TPS2116 的特性使它適用于多種場景：

• 備用電池系統(tǒng)：低功耗特性可延長備用電池壽命，自動切換功能能在主電源故障時迅速切換到備用電池。比如在一些關(guān)鍵設(shè)備的備用電源設(shè)計中，能確保設(shè)備在主電源異常時仍能正常工作。
• 電表（E - Meters）：可精確控制電源切換，保證電表穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。電表需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)才能準(zhǔn)確計量電量，TPS2116 能滿足這一需求。
• 電機(jī)驅(qū)動：大電流承載能力和輸出控制功能可確保電機(jī)可靠啟動和運(yùn)行。在小型電機(jī)驅(qū)動中，能提供足夠的電流并控制啟動過程，減少對電機(jī)的沖擊。
• 樓宇自動化：可用于控制不同電源的切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能和穩(wěn)定運(yùn)行。例如在智能樓宇的傳感器供電系統(tǒng)中，根據(jù)不同情況切換電源，提高能源利用效率。

關(guān)鍵參數(shù)與性能分析

規(guī)格參數(shù)

• 絕對最大額定值：輸入電壓、輸出電壓及控制引腳電壓范圍為 - 0.3 V 至 6 V，最大電流為 2.5 A，最大脈沖電流（持續(xù) 1 ms，占空比 2%）為 4 A。使用時需注意不能超過這些參數(shù)，否則可能損壞器件。
• ESD 額定值：人體模型（HBM）為 ±2000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±500 V。要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，避免 ESD 對芯片造成損害。
• 推薦工作條件：輸入電壓 1.6 V 至 5.5 V，環(huán)境溫度 - 40°C 至 105°C。在這些條件下使用，能確保芯片性能穩(wěn)定。

電氣特性

不同溫度和電壓條件下，電源功耗、導(dǎo)通電阻等參數(shù)會有所變化。例如隨著溫度升高，導(dǎo)通電阻會增大。設(shè)計時要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境考慮這些因素，確保電路性能符合要求。

開關(guān)特性

不同輸入電壓和負(fù)載條件下，切換時間、延遲時間和軟啟動時間不同。在設(shè)計電源切換電路時，要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的參數(shù)，確保電源切換過程穩(wěn)定可靠。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

功能框圖

從功能框圖可知，TPS2116 主要由輸入電源、反向電流阻斷模塊、控制邏輯、柵極驅(qū)動器和溫度傳感器等部分組成。反向電流阻斷模塊可防止反向電流，保護(hù)電源；控制邏輯根據(jù) MODE 和 PR1 引腳信號控制電源切換；溫度傳感器用于監(jiān)測芯片溫度，在過熱時觸發(fā)熱關(guān)斷保護(hù)。

工作模式

• 優(yōu)先模式：將 MODE 引腳連接到 VIN1，通過電阻分壓設(shè)置 PR1 引腳閾值。當(dāng) VIN1 電壓高于閾值時，優(yōu)先使用 VIN1 供電；當(dāng) VIN1 電壓下降到低于閾值時，切換到 VIN2 供電。
• 手動模式：將 MODE 引腳拉高到外部電壓，通過控制 PR1 引腳信號手動切換電源通道。也可將 MODE 引腳拉低、PR1 引腳拉高使芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。

真值表與狀態(tài)指示

真值表明確了不同 MODE、VIN1、VIN2 和 PR1 狀態(tài)下，ST 引腳和 VOUT 的輸出狀態(tài)。ST 引腳為開漏輸出，需上拉到外部電壓。當(dāng)使用 VIN1 供電時，ST 引腳被拉高；使用 VIN2 供電或兩通道均禁用時，ST 引腳被拉低；熱關(guān)斷時，ST 引腳也會被拉低。

應(yīng)用設(shè)計與注意事項

典型應(yīng)用示例

以控制高輸出電容的浪涌電流為例，設(shè)計參數(shù)為 VIN1 輸入電壓 5 V、模式為優(yōu)先模式、輸出電容 100 μF、最大浪涌電流 500 mA。通過公式 (I{INRUSH}=C{OUT}×V{OUT}/t{ss}) 計算，在最終輸出電壓 5 V、預(yù)期上升時間 1.7 ms 時，100 μF 電容產(chǎn)生的浪涌電流為 294 mA，低于 500 mA 的目標(biāo)值。

電源供應(yīng)建議

VIN 范圍為 1.6 V 至 5.5 V，電源需良好穩(wěn)壓并靠近器件端子放置。多數(shù)情況下，使用 1 μF 輸入電容可防止開關(guān)導(dǎo)通時電源電壓下降；若電源對大瞬態(tài)電流或大負(fù)載電流階躍響應(yīng)慢，可能需增加大容量輸入電容。

PCB 布局指南

為獲得最佳性能，所有走線應(yīng)盡可能短。輸入和輸出電容要靠近器件放置，以減少寄生走線電感對正常工作的影響。使用寬走線連接 VIN1、VIN2、VOUT 和 GND，可降低寄生電氣效應(yīng)。

總結(jié)

TPS2116 以其出色的電氣特性、靈活的切換模式、強(qiáng)大的保護(hù)功能和廣泛的應(yīng)用場景，成為電子工程師在電源管理設(shè)計中的優(yōu)秀選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需根據(jù)具體需求，充分考慮其規(guī)格參數(shù)、工作模式和應(yīng)用設(shè)計要點(diǎn)，合理設(shè)計電路和布局，以發(fā)揮 TPS2116 的最佳性能。你在使用類似電源多路復(fù)用器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。