德州儀器 TPS2112A/TPS2113A 自動(dòng)切換電源多路復(fù)用器深度解析

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定且可靠的電源切換方案是保障設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。德州儀器（TI）推出的 TPS2112A 和 TPS2113A 自動(dòng)切換電源多路復(fù)用器，為電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。本文將深入剖析這兩款器件的特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及技術(shù)細(xì)節(jié)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用它們。

文件下載：tps2112a.pdf

一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 低導(dǎo)通電阻開關(guān)

TPS2112A 和 TPS2113A 作為雙輸入單輸出的電源多路復(fù)用器，具備低 (r_{DS(on)}) 開關(guān)特性。TPS2113A 的典型導(dǎo)通電阻為 84 mΩ，TPS2112A 為 120 mΩ。低導(dǎo)通電阻有助于降低功耗，提高電源效率，減少發(fā)熱，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2. 反向和交叉?zhèn)鲗?dǎo)阻斷

這一特性能夠有效防止電流反向流動(dòng)和交叉?zhèn)鲗?dǎo)，確保電源的安全和穩(wěn)定。在電源切換過程中，避免了不同電源之間的干擾和損壞，為設(shè)備提供了可靠的電源保護(hù)。

3. 寬工作電壓范圍

工作電壓范圍為 2.8 V 至 5.5 V，能夠適應(yīng)多種電源輸入，增加了產(chǎn)品的通用性和適用性。無論是電池供電還是適配器供電，都能穩(wěn)定工作。

4. 低電流消耗

低待機(jī)電流（典型值 0.5 μA）和低工作電流（典型值 55 μA），使得設(shè)備在待機(jī)和工作狀態(tài)下都能保持較低的功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，適用于對(duì)功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。

5. 可調(diào)節(jié)電流限制

通過連接到 ILIM 引腳的電阻 (R_{ILIM})，可以分別為 TPS2112A 和 TPS2113A 設(shè)置不同的電流限制，滿足不同應(yīng)用的需求。這種可調(diào)節(jié)性增加了產(chǎn)品的靈活性和適應(yīng)性。

6. 可控輸出電壓過渡時(shí)間

能夠限制浪涌電流，減少對(duì)負(fù)載的沖擊，同時(shí)最小化輸出電壓保持電容的需求。這有助于提高電源的穩(wěn)定性和可靠性，避免因浪涌電流過大而導(dǎo)致設(shè)備故障。

7. 兼容 CMOS 和 TTL 控制輸入

方便與各種數(shù)字電路進(jìn)行接口，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度和成本。

8. 自動(dòng)切換工作模式

根據(jù)輸入電源的電壓情況自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)無縫過渡，無需人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)的智能化程度和可靠性。

9. 熱關(guān)斷保護(hù)

當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)熱關(guān)斷保護(hù)，防止芯片因過熱而損壞，提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

10. 多種封裝形式

提供 TSSOP - 8 和 3 - mm × 3 - mm SON - 8 封裝，方便不同應(yīng)用場(chǎng)景的選擇，滿足不同的空間和散熱要求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

TPS2112A 和 TPS2113A 適用于多種電子設(shè)備，包括但不限于：

• 個(gè)人電腦（PC）：在 PC 中，可用于電池和適配器電源的切換，確保在不同電源之間實(shí)現(xiàn)無縫過渡，提高設(shè)備的使用便利性。
• 個(gè)人數(shù)字助理（PDA）：低功耗特性有助于延長(zhǎng) PDA 的電池續(xù)航時(shí)間，同時(shí)穩(wěn)定的電源切換功能保障了設(shè)備的正常運(yùn)行。
• 數(shù)碼相機(jī)：為相機(jī)提供穩(wěn)定的電源，防止因電源切換不當(dāng)而導(dǎo)致的拍攝中斷或設(shè)備故障。
• 調(diào)制解調(diào)器：確保調(diào)制解調(diào)器在不同電源環(huán)境下的穩(wěn)定工作，提高通信質(zhì)量。
• 手機(jī)：實(shí)現(xiàn)電池和充電器之間的自動(dòng)切換，優(yōu)化手機(jī)的電源管理，延長(zhǎng)電池壽命。
• 數(shù)字收音機(jī)：提供可靠的電源支持，保證收音機(jī)的音質(zhì)和性能。
• MP3 播放器：低功耗和穩(wěn)定的電源切換功能，使 MP3 播放器能夠長(zhǎng)時(shí)間播放音樂。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)分析

1. 絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。例如，輸入電壓范圍在引腳 IN1、IN2、EN、VSNS、ILIM 為 - 0.3 至 6 V，輸出電壓范圍 (V{O(OUT)})、(V{O(STAT)}) 同樣為 - 0.3 至 6 V。連續(xù)輸出電流方面，TPS2112APW 為 0.9 A，TPS2113APW 為 1.5 A，TPS2113ADRB（(T_J ≤ 105°C)）為 2.5 A。在實(shí)際應(yīng)用中，必須確保輸入和輸出參數(shù)不超過這些額定值，否則可能會(huì)導(dǎo)致器件損壞。

2. 推薦工作條件

推薦工作條件規(guī)定了器件正常工作的最佳參數(shù)范圍。輸入電壓在不同條件下有不同的要求，例如當(dāng) (V{I(IN2)} ≥ 2.8 V) 時(shí)，(V{I(IN1)}) 的范圍為 1.5 至 5.5 V；當(dāng) (V{I(IN2)} < 2.8 V) 時(shí)，(V{I(IN1)}) 范圍為 2.8 至 5.5 V。同時(shí)，不同封裝的標(biāo)稱電流限制調(diào)整范圍也有所不同，如 TPS2112APW 為 0.31 至 0.75 A，TPS2113APW 為 0.63 至 1.25 A，TPS2113ADRB（(T_J ≤ 105°C)）為 0.63 至 2 A。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照推薦工作條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以確保器件的性能和可靠性。

3. 電氣特性

• 功率開關(guān)特性：以 (R{ILM }=400 Omega) 為例，在不同溫度和輸入電壓條件下，TPS2112A 和 TPS2113A 的漏源導(dǎo)通電阻 (r{DS(on)}) 有所不同。在 (T_J = 25°C)，(IL = 500 mA)，(V{I(IN1)} = V{I(IN2)} = 5.0 V) 時(shí)，TPS2112A 的 (r{DS(on)}) 典型值為 120 mΩ，TPS2113A 為 84 mΩ。隨著溫度升高到 (T_J = 125°C)，導(dǎo)通電阻會(huì)相應(yīng)增加。
• 邏輯輸入特性：邏輯輸入（EN）的高電平輸入電壓 (V{IH}) 為 2 V，低電平輸入電壓 (V{IL}) 為 0.7 V。輸入電流在不同狀態(tài)下也有不同的值，如 EN 為高電平時(shí)的灌電流和低電平時(shí)的拉電流等。
• 電源和泄漏電流特性：包括從 IN1 和 IN2 的工作電流、待機(jī)電流以及正向泄漏電流等。在不同的輸入電壓和工作狀態(tài)下，這些電流值會(huì)有所變化。例如，在 (V{I(VSNS)} = 1.5 V)，EN = Low（IN1 激活），(V{I(IN1)} = 5.5 V)，(V_{I(IN2)} = 3.3 V) 時(shí)，從 IN1 的工作電流典型值為 55 μA。
• 電流限制電路特性：電流限制精度與 (R{ILIM}) 的阻值有關(guān)。對(duì)于 TPS2112A，當(dāng) (R{ILIM} = 400 Ω) 時(shí)，電流限制精度為 0.51 至 0.80 A；當(dāng) (R_{ILIM} = 700 Ω) 時(shí)，為 0.30 至 0.50 A。TPS2113A 也有類似的特性。
• VSNS 比較器特性：VSNS 閾值電壓在上升沿和下降沿有所不同，上升沿為 0.78 至 0.82 V，下降沿為 0.735 至 0.775 V，比較器滯后為 30 至 60 mV。
• 欠壓鎖定（UVLO）特性：IN1 和 IN2 的 UVLO 下降沿為 1.15 至 1.25 V，上升沿為 1.30 至 1.35 V，內(nèi)部 (V_{DD}) UVLO 下降沿為 2.4 至 2.53 V，上升沿為 2.58 至 2.8 V，且都有相應(yīng)的滯后值。

4. 開關(guān)特性

在推薦工作結(jié)溫下，當(dāng) (V{I(IN1)} = V{I(IN2)} = 5.5 V) 和 (R_{ILIM }=400 Omega) 時(shí)，輸出上升時(shí)間 (t_R)、下降時(shí)間 (t_F)、過渡時(shí)間 (t_T) 以及各種傳播延遲時(shí)間等都有相應(yīng)的參數(shù)。例如，輸出上升時(shí)間 (t_R) 在 (T_J = 25°C)，(C_L = 1 μF)，(I_L = 500 mA) 時(shí)，TPS2112A 為 0.5 至 1.5 ms，TPS2113A 為 1 至 3 ms。這些開關(guān)特性對(duì)于電源切換的速度和穩(wěn)定性有著重要影響。

四、功能實(shí)現(xiàn)原理

1. 自動(dòng)切換模式

TPS2112A/3A 僅支持自動(dòng)切換模式。當(dāng) (V_{I(VSNS)}) 大于 0.8 V 時(shí)，OUT 連接到 IN1；否則，OUT 連接到 IN1 和 IN2 中電壓較高的一個(gè)。VSNS 端子具有一定的滯后特性，能夠避免由于電阻壓降導(dǎo)致的頻繁切換，提高了切換的穩(wěn)定性。

2. N 溝道 MOSFET 開關(guān)

內(nèi)部采用兩個(gè) N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)單刀雙擲（SPDT）開關(guān)。數(shù)字邏輯可以選擇 IN1 開關(guān)、IN2 開關(guān)或無開關(guān)（Hi - Z 狀態(tài)）。由于 MOSFET 沒有并聯(lián)二極管，當(dāng) FET 關(guān)斷時(shí)，輸出到輸入的電流無法流動(dòng)，同時(shí)集成的比較器可以防止在輸出電壓大于輸入電壓時(shí) FET 開關(guān)導(dǎo)通。

3. 交叉?zhèn)鲗?dǎo)阻斷

切換電路確保兩個(gè)電源開關(guān)不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。通過比較器監(jiān)測(cè)每個(gè)功率 FET 的柵源電壓，只有當(dāng)另一個(gè) FET 的柵源電壓低于導(dǎo)通閾值電壓時(shí)，才允許該 FET 導(dǎo)通。

4. 反向傳導(dǎo)阻斷

當(dāng)從高電壓電源切換到低電壓電源時(shí)，為了減少反向傳導(dǎo)，TPS211xA 會(huì)在輸出電壓下降到與電源電壓相差 100 mV 以內(nèi)時(shí)才將電源連接到輸出。一旦電源連接到輸出，無論輸出電壓如何變化，都會(huì)保持連接。

5. 電荷泵

內(nèi)部電荷泵由 IN1 和 IN2 中電壓較高的電源供電，為電流限制放大器提供電源，并使輸出 FET 柵極電壓高于 IN1 和 IN2 的電源電壓，以確保 N 溝道 FET 能夠?qū)ā?/p>

6. 電流限制

通過連接到 ILIM 引腳的電阻 (R{ILIM}) 來設(shè)置電流限制，TPS2112A 的電流限制為 (250/R{ILIM})，TPS2113A 為 (500/R{ILIM})。需要注意的是，不建議將 (R{ILIM}) 設(shè)置為零，因?yàn)檫@會(huì)禁用電流限制功能。

7. 輸出電壓斜率控制

當(dāng) OUT 從 Hi - Z 狀態(tài)切換到 IN1 或 IN2 時(shí)，TPS2112A/3A 會(huì)以較慢的速率調(diào)節(jié)輸出電壓，從而限制流入負(fù)載電容的浪涌電流。而當(dāng) OUT 在 IN1 和 IN2 之間切換時(shí)，輸出電壓調(diào)節(jié)速率會(huì)更快，以最小化輸出電壓下降并減少輸出電壓保持電容的需求。

五、應(yīng)用電路示例

1. 自動(dòng)選擇雙電源應(yīng)用

在某些應(yīng)用中，有兩個(gè)能源源，優(yōu)先使用其中一個(gè)。如圖 14 所示的電路，當(dāng) IN1 的電壓高于用戶指定值時(shí)，IN1 連接到 OUT；當(dāng) IN1 電壓下降到該值以下時(shí)，TPS2112A/3A 會(huì)選擇兩個(gè)電源中電壓較高的一個(gè)，通常是切換到 IN2。

2. 手動(dòng)切換電源源

如圖 15 所示，多路復(fù)用器根據(jù) VSNS 邏輯信號(hào)在兩個(gè)電源之間進(jìn)行選擇。當(dāng) VSNS 為邏輯 '1' 時(shí)，OUT 連接到 IN1；否則，如果 (V{IN2}) 大于 (V{IN1})，OUT 連接到 IN2。VSNS 端子的邏輯閾值與 TTL 和 CMOS 邏輯兼容，方便與數(shù)字電路接口。

六、總結(jié)

德州儀器的 TPS2112A 和 TPS2113A 自動(dòng)切換電源多路復(fù)用器憑借其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和可靠的性能，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其技術(shù)細(xì)節(jié)和功能實(shí)現(xiàn)原理，工程師可以更好地利用這兩款器件，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體需求合理選擇封裝形式、設(shè)置參數(shù)，并注意遵守絕對(duì)最大額定值和推薦工作條件，以確保器件的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的可靠性。你在使用這兩款器件的過程中遇到過哪些問題？或者你對(duì)它們的應(yīng)用有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。