Microchip MIC20XX：高性能電流限制功率開(kāi)關(guān)的深度解析

在電子設(shè)備的電源管理中，功率開(kāi)關(guān)扮演著至關(guān)重要的角色。Microchip的MIC20XX系列固定和可調(diào)電流限制功率分配開(kāi)關(guān)，憑借其豐富的功能和出色的性能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中脫穎而出。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

MIC20XX系列是電流限制、高端功率開(kāi)關(guān)，專為數(shù)字電視、打印機(jī)、機(jī)頂盒、個(gè)人電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和其他外圍設(shè)備中的通用電源分配和控制而設(shè)計(jì)。其主要功能包括電流限制和電源開(kāi)關(guān)，具備熱保護(hù)功能，在高電流或故障條件下，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到不安全水平時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)設(shè)備和負(fù)載安全。

二、產(chǎn)品特性

（一）低導(dǎo)通電阻

MIC20X3 - MIC20X9在5V時(shí)典型導(dǎo)通電阻為70mΩ，MIC2005A/20X9A在5V時(shí)典型導(dǎo)通電阻為170mΩ。低導(dǎo)通電阻可以減少功率損耗，提高電源效率。

（二）靈活的使能控制

使能信號(hào)支持高電平或低電平有效，可根據(jù)不同的電路設(shè)計(jì)需求靈活選擇，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性。

（三）寬工作電壓范圍

工作電壓范圍為2.5V至5.5V，能適應(yīng)多種電源供電環(huán)境，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更廣泛的選擇。

（四）多樣的電流限制設(shè)置

1. 預(yù)設(shè)電流限制：提供0.5A、0.8A和1.2A等預(yù)設(shè)電流限制值，方便用戶快速選擇合適的電流限制，滿足不同負(fù)載的需求。
2. 可調(diào)電流限制：MIC20X7 - MIC20X9的可調(diào)電流限制范圍為0.2A至2.0A，MIC20X9A的可調(diào)電流限制范圍為0.1A至0.9A。用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活調(diào)整電流限制，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

   （五）其他特性

3. 欠壓鎖定（UVLO）：確保在輸入電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，避免設(shè)備在低電壓下異常工作，保護(hù)設(shè)備安全。
4. 可變UVLO：允許用戶調(diào)整UVLO閾值，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。
5. 自動(dòng)負(fù)載放電：對(duì)于電容性負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)負(fù)載放電，快速釋放負(fù)載上的電荷，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
6. 軟啟動(dòng)功能：防止大電流沖擊，減少對(duì)電源和負(fù)載的損害，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
7. 可調(diào)壓擺率：允許用戶自定義輸出電壓的上升速率，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電壓變化速率的要求。
8. 故障后自動(dòng)恢復(fù)：在故障排除后，輸出能夠自動(dòng)恢復(fù)供電，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
9. 熱保護(hù)：當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)，防止芯片因過(guò)熱而損壞。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

MIC20XX系列適用于多種電子設(shè)備，包括但不限于數(shù)字電視（DTV）、機(jī)頂盒、PDA、打印機(jī)、USB / IEEE 1394電源分配、臺(tái)式和筆記本電腦、游戲機(jī)、 docking 站等。其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域得益于其豐富的功能和出色的性能，能夠滿足不同設(shè)備對(duì)電源管理的需求。

四、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

• (V{IN})、(V{OUT})： - 0.3V至 + 6V
• 其他引腳： - 0.3V至 + 5.5V
• 功耗：內(nèi)部限制
• 連續(xù)輸出電流：除MIC2005A/MIC20X9A外為2.25A，MIC2005A/MIC20X9A為1.0A
• ESD（HBM）：(V_{OUT})和GND為 ± 4kV，其他引腳為 ± 2kV
• ESD（MM）：所有引腳為 ± 200V

（二）工作額定值

• 電源電壓： + 2.5V至 + 5.5V
• 連續(xù)輸出電流：除MIC2005A/MIC20X9A外為0A至2.1A，MIC2005A/MIC20X9A為0A至0.9A

（三）典型電氣特性

在(V{IN}=5V)，(C{IN}=1mu F)，(T{A}= + 25^{circ}C)的條件下，不同型號(hào)的產(chǎn)品在開(kāi)關(guān)輸入電壓、輸出泄漏電流、電源電流、功率開(kāi)關(guān)電阻、固定電流限制等參數(shù)上有不同的表現(xiàn)。例如，MIC2005A在(V{IN}=5V)，(I{OUT}=100mA)時(shí)，功率開(kāi)關(guān)電阻(R{DS(ON)})典型值為170mΩ，固定電流限制(I_{LIMIT})典型值為0.7A。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

五、功能描述

（一）(V{IN})和(V{OUT})

(V{IN})是內(nèi)部電路和功率MOSFET開(kāi)關(guān)的電源輸入，(V{OUT})是功率MOSFET的漏極輸出，為負(fù)載提供電源。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流從(V{IN})流向(V{OUT})；開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，除了少量不可避免的泄漏電流外，電流不會(huì)流向負(fù)載。但如果(V{OUT})比(V{IN})高超過(guò)一個(gè)二極管壓降（約0.6V），電流會(huì)通過(guò)功率MOSFET的體二極管從輸出流向輸入。對(duì)于需要對(duì)負(fù)載電容(C{LOAD})進(jìn)行放電的應(yīng)用，可以選擇MIC20X4或MIC20X7，它們配備了放電FET，可確保(C{LOAD})完全放電。

（二）電流傳感和限制

MIC20XX通過(guò)片上功率MOSFET的電流鏡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定的過(guò)流閾值時(shí)，啟動(dòng)電流限制功能，將輸出電流限制在設(shè)定值，直到負(fù)載故障排除、負(fù)載電流需求下降到限制值以下或開(kāi)關(guān)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

（三）Kickstart功能

MIC201X系列具有獨(dú)特的Kickstart功能，允許在電流限制啟動(dòng)前有短暫的電流浪涌，使動(dòng)態(tài)負(fù)載（如小型磁盤驅(qū)動(dòng)器或便攜式打印機(jī)）能夠獲得克服慣性負(fù)載所需的能量，同時(shí)不犧牲系統(tǒng)安全性。在Kickstart延遲期間（典型為128ms），啟用二級(jí)電流限制。如果負(fù)載電流超過(guò)二級(jí)電流限制，MIC201X會(huì)立即將輸出電流限制在二級(jí)電流限制值，延遲結(jié)束后恢復(fù)到正常電流限制。

（四）欠壓鎖定（UVLO）

UVLO功能確保在輸入電壓達(dá)到設(shè)備的最小輸入電壓（(UVLO_{THRESHOLD})，最小值為2V，典型值為2.25V，最大值為2.5V）之前，輸出開(kāi)關(guān)（功率MOSFET）關(guān)閉，所有電路功能（如FAULT/或ENABLE）無(wú)效。

（五）可變欠壓鎖定（VUVLO）

VUVLO作為輸入電壓監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)開(kāi)關(guān)啟用時(shí)，監(jiān)測(cè)(V{IN})引腳的電壓下降情況。如果(V{IN})低于(V{UVLO})閾值電壓（(V{VUVLO_TH})，典型值為250mV）持續(xù)32ms以上，MIC20XX會(huì)禁用開(kāi)關(guān)，保護(hù)電源并允許(V{IN})恢復(fù)。128ms后，開(kāi)關(guān)會(huì)重新啟用。如果(V{IN})持續(xù)低于(V_{UVLO})閾值電壓，開(kāi)關(guān)將繼續(xù)進(jìn)行禁用和啟用循環(huán)。

（六）使能（ENABLE）

ENABLE引腳是邏輯兼容輸入，用于激活主MOSFET開(kāi)關(guān)，為(V{OUT})引腳提供電源。ENABLE信號(hào)可以是高電平有效或低電平有效，MIC20XX可以在低至1.5V的電源電壓下與邏輯電路配合工作。ENABLE引腳的電壓可以高于(V{IN})，但不能超過(guò)5.5V，也不能低于 - 0.3V。

（七）故障輸出（FAULT/）

FAULT/是N溝道開(kāi)漏輸出，當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)始電流限制或進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，該引腳輸出低電平。為了避免瞬態(tài)事件誤報(bào)，F(xiàn)AULT/信號(hào)在事件發(fā)生后會(huì)有短暫延遲才會(huì)有效。在MIC200X中，典型延遲為32ms；在MIC201X中，延遲為Kickstart周期結(jié)束時(shí)（典型為128ms）。故障清除后，F(xiàn)AULT/信號(hào)會(huì)在延遲時(shí)間內(nèi)保持低電平。由于FAULT/是開(kāi)漏輸出，需要使用外部電阻上拉，并且可以與其他類似輸出進(jìn)行線或連接，共享一個(gè)上拉電阻。

（八）軟啟動(dòng)控制

為了避免大電容負(fù)載在充電時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的浪涌電流，MIC20XX系列提供了內(nèi)置的軟啟動(dòng)控制功能。通過(guò)控制功率MOSFET的導(dǎo)通過(guò)程，限制初始浪涌電流，保護(hù)電源和負(fù)載。

（九）CSLEW引腳

CSLEW引腳用于控制輸出電壓在開(kāi)啟時(shí)的上升速率。通過(guò)在CSLEW和(V{IN})引腳之間添加外部電容，可以降低輸出的壓擺率，減緩電壓上升速度。但需要注意的是，添加CSLEW電容會(huì)降低MIC20X5 - 20X8對(duì)電流瞬變或浪涌的快速限制能力，因此(C{SLEW})的上限值為4nF。

（十）熱關(guān)斷

熱關(guān)斷功能用于保護(hù)MIC20XX系列開(kāi)關(guān)，當(dāng)芯片溫度超過(guò)安全工作水平（145°C）時(shí)，關(guān)閉輸出MOSFET并使FAULT/輸出有效。當(dāng)芯片溫度冷卻到135°C時(shí)，開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)工作。如果恢復(fù)工作后芯片再次過(guò)熱，開(kāi)關(guān)將繼續(xù)在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間循環(huán)，直到過(guò)流條件得到解決。

六、應(yīng)用信息

（一）設(shè)置(I_{LIMIT})

MIC2009/2019的電流限制是用戶可編程的，通過(guò)在ILIMIT引腳和GND之間連接一個(gè)電阻來(lái)控制。電阻值可以根據(jù)公式(R{SET}=frac{CurrentLimitFactor (CLF)}{I{LIMIT}(A)})計(jì)算得出。例如，要設(shè)置(I{LIMIT}=1.25A)，假設(shè)在(I{OUT}=1A)時(shí)CLF的典型值為243V，則(R{SET}=frac{243V}{1.25A}=194.4Omega)，實(shí)際可選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%值196Ω。由于不同芯片之間存在微小差異，實(shí)際測(cè)量的(I{LIMIT})會(huì)有一定的變化范圍，可以通過(guò)CLF的最小值和最大值以及計(jì)算得到的(R{SET})值來(lái)確定(I{LIMIT})的變化范圍。

（二）(I{LIMIT})與(I{OUT})的關(guān)系

在電流限制期間，MIC20XX的電流限制電路設(shè)計(jì)為向負(fù)載提供恒定電流。當(dāng)負(fù)載試圖吸取超過(guò)設(shè)定電流時(shí)，(V{OUT})會(huì)下降，輸入輸出電壓差會(huì)增加。當(dāng)(V{IN}-V{OUT})超過(guò)1V時(shí)，(I{OUT})會(huì)下降到(I{LIMIT})以下，以減少故障電流對(duì)系統(tǒng)電源的消耗，并限制開(kāi)關(guān)內(nèi)部的發(fā)熱。在測(cè)量(I{OUT})時(shí)，需要考慮這種電壓依賴性，以免誤判測(cè)量數(shù)據(jù)。

（三）CSLEW的影響

CSLEW引腳可以控制輸出電壓的上升速率，但添加CSLEW電容會(huì)降低MIC20X5 - 20X8對(duì)電流瞬變或浪涌的快速限制能力。過(guò)大的電容可能導(dǎo)致主電流限制和二級(jí)電流限制無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，從而無(wú)法保護(hù)芯片和系統(tǒng)免受短路故障的損害。因此，(C_{SLEW})的上限值為4nF。

（四）可變欠壓鎖定（VUVLO）的應(yīng)用

在一些對(duì)功率敏感的系統(tǒng)中，如實(shí)現(xiàn)ACPI的系統(tǒng)，即使在低功耗狀態(tài)下也需要保持活動(dòng)，并可能需要通過(guò)外設(shè)端口為外部設(shè)備提供支持。在這種情況下，外設(shè)端口可能需要雙電流限制。MIC20X6專為這類系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)需控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要電流限制級(jí)別。通過(guò)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流和(V{IN})，在正常工作時(shí)，MIC20X6可以支持高達(dá)工廠編程電流限制的任何負(fù)載；在待機(jī)狀態(tài)下，當(dāng)(V{IN})低于預(yù)定值時(shí)，會(huì)關(guān)閉輸出，以保護(hù)電源和系統(tǒng)。為了防止VUVLO功能誤觸發(fā)，MIC20X6包含一個(gè)延遲定時(shí)器，用于屏蔽瞬間低于VUVLO觸發(fā)點(diǎn)的電壓波動(dòng)。如果(V{IN})持續(xù)低于VUVLO觸發(fā)點(diǎn)超過(guò)32ms（典型值），則會(huì)斷開(kāi)負(fù)載，并在128ms后重新供電。如果(V{IN})仍然低于VUVLO觸發(fā)點(diǎn)，負(fù)載將在32ms的消隱期內(nèi)供電，然后再次斷開(kāi)。

（五）Kickstart功能的應(yīng)用

Kickstart功能允許在正常電流限制啟動(dòng)前有短暫的電流浪涌，使動(dòng)態(tài)負(fù)載能夠獲得克服慣性負(fù)載所需的能量。在Kickstart期間，二級(jí)電流限制電路會(huì)監(jiān)測(cè)輸出電流，防止開(kāi)關(guān)因短路和強(qiáng)大的電源而受到過(guò)大電流的損害。二級(jí)電流限制通常設(shè)定為4A，與Kickstart周期獨(dú)立響應(yīng)。Kickstart定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束后，主電流限制電路將接管并將(I{OUT})限制在編程值。當(dāng)開(kāi)關(guān)退出電流限制狀態(tài)后，Kickstart定時(shí)器會(huì)啟動(dòng)一個(gè)128ms的鎖定期，在此期間不允許超過(guò)主電流限制的電流浪涌。此外，熱保護(hù)電路可以覆蓋Kickstart功能，如果芯片內(nèi)部發(fā)熱過(guò)多，Kickstart將被終止，(I{OUT})降為0A。芯片冷卻后，如果負(fù)載仍然存在，(I{OUT})將恢復(fù)到(I{LIMIT})，而不是二級(jí)電流限制值。

（六）自動(dòng)負(fù)載放電

自動(dòng)負(fù)載放電功能通過(guò)在(V{OUT})引腳和GND之間連接一個(gè)并聯(lián)MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)禁用時(shí)，先關(guān)閉主功率MOSFET，然后啟用并聯(lián)MOSFET，將(V{OUT})引腳上的電荷快速釋放。該功能對(duì)于需要快速關(guān)閉負(fù)載電源的應(yīng)用非常有用，同時(shí)可以防止在連接外部設(shè)備時(shí)(V_{OUT})引腳上的電荷對(duì)設(shè)備造成損害。MOSFET和內(nèi)部電阻的總電阻典型值為126Ω。

（七）電源濾波

為了保證開(kāi)關(guān)的正常工作，在開(kāi)關(guān)的(V{IN})和GND引腳附近應(yīng)放置一個(gè)至少1μF的旁路電容。該電容可以控制電源瞬變和振鈴，防止大電流浪涌或短路導(dǎo)致(V{IN})上的振鈴影響開(kāi)關(guān)控制電路的正常工作。對(duì)于10μF及以上的旁路電容，建議并聯(lián)一個(gè)小容量電容（0.01μF至0.1μF），以處理線路瞬變的高頻分量。選擇電容時(shí)，應(yīng)使用高質(zhì)量、低ESR的電容，最好是陶瓷電容。

（八）功率耗散

功率耗散取決于負(fù)載、PCB布局、環(huán)境溫度和電源電壓等因素。功率耗散可以通過(guò)公式(P{D}=R{DS(ON)} times (I{OUT})^{2})計(jì)算，結(jié)溫可以通過(guò)公式(T{J}=P{D} × R{theta(J - A)}+T{A})計(jì)算，其中(T{J})為結(jié)溫，(T{A})為環(huán)境溫度，(R{theta(J - A)})為封裝的熱阻。在正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)的(R_{ON})較低，不會(huì)產(chǎn)生明顯的(I^{2}R)發(fā)熱。但在短路或重載情況下，輸入電源電壓的大部分會(huì)出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)的功率MOSFET上，導(dǎo)致芯片發(fā)熱超過(guò)封裝和PCB的散熱能力，從而觸發(fā)熱限制功能。因此，對(duì)于需要連續(xù)提供1A以上電流的設(shè)計(jì)，建議使用DFN封裝的開(kāi)關(guān)。

七、封裝信息

MIC20XX系列根據(jù)不同的功能需求，提供了節(jié)省空間的5引腳SOT - 23、6引腳SOT - 23和2mm x 2mm DFN封裝。每種封裝都有其特定的引腳排列和封裝尺寸，同時(shí)提供了詳細(xì)的封裝標(biāo)記信息和推薦的焊盤圖案。工程師在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的封裝形式，并參考相應(yīng)的封裝圖紙進(jìn)行布局和焊接。

綜上所述，Microchip的MIC20XX系列功率分配開(kāi)關(guān)以其豐富的功能、出色的性能和多樣的封裝選擇，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。無(wú)論是在消費(fèi)電子、工業(yè)控制還是其他領(lǐng)域，MIC20XX都能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，幫助工程師設(shè)計(jì)出更加高效、可靠的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇產(chǎn)品型號(hào)、設(shè)置參數(shù)，并注意電源濾波、功率耗散等問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用MIC20XX系列產(chǎn)品時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？或者你對(duì)這款產(chǎn)品還有哪些疑問(wèn)，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。