利用TPS2393A實(shí)現(xiàn)大電流熱插拔應(yīng)用
2014-01-27
作者：Oliver Ou，德州儀器 (TI) 電源管理產(chǎn)品/現(xiàn)場應(yīng)用
摘要
TPS2393A集成電路是一款專為-48V系統(tǒng)優(yōu)化的熱插拔控制器。TPS2393A廣泛用于許多應(yīng)用中，它擁有如下強(qiáng)大功能：
. 寬泛的輸入電源范圍
. 可編程電流限制
. UV/OV保護(hù)
. 插入檢測
. 電源正常指示
. 告警
TPS2393A擁有負(fù)載電流轉(zhuǎn)換速率控制功能，可對浪涌負(fù)載的電流進(jìn)行管理，并同時(shí)具備峰值電流限制功能。正常情況下，實(shí)際額定負(fù)載電流始終小于安全余量電流限制閾值。但是，在一些情況下，應(yīng)用需要讓更大的額定電流進(jìn)入負(fù)載。這種情況會(huì)對用于控制應(yīng)用浪涌電流的FET產(chǎn)生很大的應(yīng)力（例如，一個(gè)10A額定電流下要求-48V的系統(tǒng)）。初始開啟時(shí)，如果電流被限制為10A（最初可能為480W），則FET的VDS為48V。當(dāng)然，隨著VDS降低，功率也降低。這讓這種應(yīng)用的FET選擇成為一個(gè)非常大的難題。
本文為您介紹一種解決這個(gè)問題的簡單且高效的方法，一種擴(kuò)展TPS2393A應(yīng)用范圍的簡單方法。
引言
TPS2393A是一款全功能型-48V熱插拔電源管理IC。與最流行的熱插拔控制器一樣，TPS2393A使用一個(gè)外部N通道功率FET和一個(gè)低值電流檢測電阻器來控制負(fù)載上電，從而起到受控電流的作用。圖1為該電路的結(jié)構(gòu)圖。參考電壓用于線性電源放大器（LCA）的非反相輸入。負(fù)載大小信息被傳輸至反相輸入，作為檢測電阻器RSNS的壓降。LCA對旁路FET柵極進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以將負(fù)載電流限制至參考值。VREF參考值被控制在40mV，如圖2所示。因此，在導(dǎo)通期間，負(fù)載中的電流被限制在
得到的值。（IMAX為最大負(fù)載電流。）
圖1TPS2393電流控制環(huán)路
圖2斜坡發(fā)生器模塊
圖3顯示了典型熱插拔示意圖。圖4為2A電流限制的波形
圖3典型熱插拔示意圖
圖4TPS2393波形
請注意：
VOUT實(shí)際為FET的VDRAIN。T=0時(shí)，VDS約為48V；FET開啟時(shí)，其接近0。觸點(diǎn)顫動(dòng)顯示熱插拔或者板插入事件。這是圖VDS左側(cè)為0（電路板沒有電）的原因。插入后，電壓擺動(dòng)，然后上升至48V。柵極開始轉(zhuǎn)換，并讓電流進(jìn)入電路板，而在此期間，VDS隨IDS增加而下降。
實(shí)現(xiàn)大負(fù)載熱插拔
為了避免違反大負(fù)載電流安全工作區(qū)（SOA）曲線，必須在浪涌電流達(dá)到某個(gè)合理值時(shí)限制最大電流電平。
例如，在開啟期間，大容量電容的典型充電電流為2A（40mV/20mohm）；因此，實(shí)際負(fù)載電流必須低于2A，如圖4上方圖所示。但在一些應(yīng)用中，負(fù)載電流可以高得多，范圍從5A到50A，如圖4下方圖所示。當(dāng)然，這要求檢測電阻RSNS的值非常低，以讓最大限流進(jìn)入負(fù)載。然而，在這些大電流下，IMAX同樣非常高。很難選擇正確的電流限制FET。例如，正常負(fù)載電流為10A，RSNS值必須低于4mohm (40mV/10A)。IMAX還會(huì)超出10A。
圖5不同要求的理想電流波形
假設(shè)正常負(fù)載電流為10A，并考慮到FET的熱力上升，我們應(yīng)選擇一個(gè)正確的Rdson。例如，選擇FDB047N10：Rdson=4.7mOhm；Rθja=62.5℃/W；
假設(shè)環(huán)境溫度為TA=40℃，F(xiàn)ET的結(jié)溫計(jì)算如下：
在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱力上升沒有問題。另外，我們有必要查看SOA圖，以確定FET是否能夠處理在啟動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)功耗。圖5顯示了FDB047N10的典型最大SOA。
25° C殼溫和48V輸入條件下，10A恒定電流的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)短于1mS（參見圖5中紅色虛線），但它可以支持2A恒定電流約10mS的運(yùn)行時(shí)間（參見圖5中藍(lán)色虛線）。在另一種方法中，小電流需要更多的時(shí)間來把大容量電容器充電至輸入電壓。因此，我們應(yīng)在可靠性和充電時(shí)間上作出權(quán)衡，以選擇一個(gè)合適的電流電平。
另外請記住，F(xiàn)ET產(chǎn)品說明書中的SOA圖是基于25°C環(huán)境殼溫的；而在實(shí)際電源系統(tǒng)中，環(huán)境殼溫會(huì)更高，因此我們必須考慮降低額定溫度。應(yīng)用手冊《利用TPS2490/91的熱插拔設(shè)計(jì)與FET瞬態(tài)散熱響應(yīng)》就是較好的參考文獻(xiàn)。
圖6FDB047N10的SOA曲線
滿足高輸出電流熱插拔要求的一種簡單方法是把LCA電流限制閾值與過流（OC）限制閾值隔離。然而，它們被整合在TPS2393A中。
仔細(xì)閱讀產(chǎn)品說明書，我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滿足下列條件時(shí)電源狀態(tài)良好指示引腳（/PG）為低電平有效：
. DRAINSNS引腳電壓低于電源正常閾值（1.35V）。
. IRAMP引腳電壓高于5V。
因此，在LCA電流限制條件和過流狀態(tài)下，我們可以使用/PG信號(hào)來改變旁路FET的電流電平。圖6為簡單的示意圖。
圖7添加偏置電流來改變實(shí)際負(fù)載
由于我們知道ISENS引腳為LCA的負(fù)端（控制在40mV），我們便可以得到如下方程式：
Io可以簡化為：
圖6中，R1=R2=470K，R3=680ohm，R4=4mohm。所以，啟動(dòng)時(shí)，實(shí)際負(fù)載電流Io≈1.3A。由圖5所示SOA曲線（參見黃色虛線），1.3A恒定負(fù)載電流的最大SOA時(shí)間接近100 mS。
假設(shè)總輸出電容器CLoad=100µF，最小充電時(shí)間為：
TPS2393A還可以通過IRAMP引腳上的電容器對“浪涌轉(zhuǎn)換速率”進(jìn)行編程，因此實(shí)際充電時(shí)間會(huì)更長。負(fù)載電容器充電時(shí)間小于最大SOA時(shí)間，所以，F(xiàn)ET適合于電流設(shè)計(jì)。
TPS2393A還包括一個(gè)可編程“故障計(jì)時(shí)器”，用于保護(hù)FET。由前面的分析，我們可以把“故障時(shí)間”設(shè)置在3.7mS到100mS范圍內(nèi)。我們可利用如下方程計(jì)算該計(jì)時(shí)器電容器：
圖7顯示了啟動(dòng)波形，其已在EVM板上完成測試。
圖8 偏置電流啟動(dòng)
當(dāng)啟動(dòng)過程完成以后，/PG信號(hào)變低。流經(jīng)R2的偏置電流可以忽略不計(jì)，最大負(fù)載電流會(huì)上升至
。
由于R1直接連接至總線電壓，因此偏置電流會(huì)隨總線電壓而變化。如果總線的電壓范圍較寬，則我們可以添加一個(gè)外部電路，用于向R1提供一個(gè)固定參考電壓，這樣偏置電流也將被固定。
結(jié)論
盡管TPS2393A只有一個(gè)相對較低的電流限制閾值，但只要穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電流高于啟動(dòng)上升期間的充電電流，它仍可適用于更多的應(yīng)用。本文介紹了一種在不同工作階段（從上升到穩(wěn)定）改變電流限制的方法。
參考文獻(xiàn)
1、 TI SLUS536C《TPS2393A產(chǎn)品說明書》
2、 《使用TPS2393的-48V ATCA模塊熱插拔》，作者：Jim Bird，TI SLUA318
3、 《全功能-48V熱插拔電源管理器（TPS2392和TPS2393）》，作者：Andy Ripanti，TI
4、 《使用TPS2490/91的熱插拔設(shè)計(jì)和FET瞬態(tài)散熱響應(yīng)》，作者：Martin Patoka，TI
5、 《FDB047N10產(chǎn)品說明書》，飛兆半導(dǎo)體公司