基于TPS2393A實現大電流熱插拔應用的設計方案

摘要

TPS2393A集成電路是一款專為-48V系統優化的熱插拔控制器。TPS2393A廣泛用于許多應用中，它擁有如下強大功能：

寬泛的輸入電源范圍
可編程電流限制
UV/OV保護
插入檢測
電源正常指示
告警

TPS2393A擁有負載電流轉換速率控制功能，可對浪涌負載的電流進行管理，并同時具備峰值電流限制功能。正常情況下，實際額定負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，應用需要讓更大的額定電流進入負載。這種情況會對用于控制應用浪涌電流的FET產生很大的應力（例如，一個10A額定電流下要求-48V的系統）。初始開啟時，如果電流被限制為10A（最初可能為480W），則FET的VDS為48V。當然，隨著VDS降低，功率也降低。這讓這種應用的FET選擇成為一個非常大的難題。

本文為您介紹一種解決這個問題的簡單且高效的方法，一種擴展TPS2393A應用范圍的簡單方法。

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使用一個外部N通道功率FET和一個低值電流檢測電阻器來控制負載上電，從而起到受控電流的作用。圖1為該電路的結構圖。參考電壓用于線性電源放大器（LCA）的非反相輸入。負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柵極進行轉換，以將負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，在導通期間，負載中的電流被限制在 得到的值。（IMAX為最大負載電流。）

圖1TPS2393電流控制環路


圖2斜坡發生器模塊

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實際為FET的VDRAIN。T=0時，VDS約為48V；FET開啟時，其接近0。觸點顫動顯示熱插拔或者板插入事件。這是圖VDS左側為0（電路板沒有電）的原因。插入后，電壓擺動，然后上升至48V。柵極開始轉換，并讓電流進入電路板，而在此期間，VDS隨IDS增加而下降。

實現大負載熱插拔
為了避免違反大負載電流安全工作區（SOA）曲線，必須在浪涌電流達到某個合理值時限制最大電流電平。

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，實際負載電流必須低于2A，如圖4上方圖所示。但在一些應用中，負載電流可以高得多，范圍從5A到50A，如圖4下方圖所示。當然，這要求檢測電阻RSNS的值非常低，以讓最大限流進入負載。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，正常負載電流為10A，RSNS值必須低于4mohm (40mV/10A)。IMAX還會超出10A。

圖5不同要求的理想電流波形

假設正常負載電流為10A，并考慮到FET的熱力上升，我們應選擇一個正確的Rdson。例如，選擇FDB047N10：Rdson=4.7mOhm；Rθja=62.5℃/W；

假設環境溫度為TA=40℃，FET的結溫計算如下：


在穩定狀態下，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時的瞬態功耗。圖5顯示了FDB047N10的典型最大SOA。

25° C殼溫和48V輸入條件下，10A恒定電流的運行時間應短于1mS（參見圖5中紅色虛線），但它可以支持2A恒定電流約10mS的運行時間（參見圖5中藍色虛線）。在另一種方法中，小電流需要更多的時間來把大容量電容器充電至輸入電壓。因此，我們應在可靠性和充電時間上作出權衡，以選擇一個合適的電流電平。

另外請記住，FET產品說明書中的SOA圖是基于25°C環境殼溫的；而在實際電源系統中，環境殼溫會更高，因此我們必須考慮降低額定溫度。應用手冊《利用TPS2490/91的熱插拔設計與FET瞬態散熱響應》就是較好的參考文獻。

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。

仔細閱讀產品說明書，我們可以發現，當滿足下列條件時電源狀態良好指示引腳（/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下，我們可以使用/PG信號來改變旁路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際負載

由于我們知道ISENS引腳為LCA的負端（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，啟動時，實際負載電流Io≈1.3A。由圖5所示SOA曲線（參見黃色虛線），1.3A恒定負載電流的最大SOA時間接近100 mS。

假設總輸出電容器CLoad=100μF，最小充電時間為：

TPS2393A還可以通過IRAMP引腳上的電容器對“浪涌轉換速率”進行編程，因此實際充電時間會更長。負載電容器充電時間小于最大SOA時間，所以，FET適合于電流設計。

TPS2393A還包括一個可編程“故障計時器”，用于保護FET。由前面的分析，我們可以把“故障時間”設置在3.7mS到100mS范圍內。我們可利用如下方程計算該計時器電容器：

圖7顯示了啟動波形，其已在EVM板上完成測試。

圖8 偏置電流啟動

當啟動過程完成以后，/PG信號變低。流經R2的偏置電流可以忽略不計，最大負載電流會上升至。

由于R1直接連接至總線電壓，因此偏置電流會隨總線電壓而變化。如果總線的電壓范圍較寬，則我們可以添加一個外部電路，用于向R1提供一個固定參考電壓，這樣偏置電流也將被固定。

結論
盡管TPS2393A只有一個相對較低的電流限制閾值，但只要穩定狀態下的負載電流高于啟動上升期間的充電電流，它仍可適用于更多的應用。本文介紹了一種在不同工作階段（從上升到穩定）改變電流限制的方法。