基于TPS2393A实现大电流热插拔应用的设计方案

摘要

TPS2393A集成电路是一款专为-48V系统优化的热插拔控制器。TPS2393A广泛用于许多应用中，它拥有如下强大功能：

宽泛的输入电源范围
可编程电流限制
UV/OV保护
插入检测
电源正常指示
告警

TPS2393A拥有负载电流转换速率控制功能，可对浪涌负载的电流进行管理，并同时具备峰值电流限制功能。正常情况下，实际额定负载电流始终小于安全余量电流限制阈值。但是，在一些情况下，应用需要让更大的额定电流进入负载。这种情况会对用于控制应用浪涌电流的FET产生很大的应力（例如，一个10A额定电流下要求-48V的系统）。初始开启时，如果电流被限制为10A（最初可能为480W），则FET的VDS为48V。当然，随着VDS降低，功率也降低。这让这种应用的FET选择成为一个非常大的难题。

本文为您介绍一种解决这个问题的简单且高效的方法，一种扩展TPS2393A应用范围的简单方法。

引言
TPS2393A是一款全功能型-48V热插拔电源管理IC。与最流行的热插拔控制器一样，TPS2393A使用一个外部N通道功率FET和一个低值电流检测电阻器来控制负载上电，从而起到受控电流的作用。图1为该电路的结构图。参考电压用于线性电源放大器（LCA）的非反相输入。负载大小信息被传输至反相输入，作为检测电阻器RSNS的压降。LCA对旁路FET栅极进行转换，以将负载电流限制至参考值。VREF参考值被控制在40mV，如图2所示。因此，在导通期间，负载中的电流被限制在 得到的值。（IMAX为最大负载电流。）

图1TPS2393电流控制环路


图2斜坡发生器模块

图3显示了典型热插拔示意图。图4为2A电流限制的波形

图3典型热插拔示意图


图4TPS2393波形

请注意：
VOUT实际为FET的VDRAIN。T=0时，VDS约为48V；FET开启时，其接近0。触点颤动显示热插拔或者板插入事件。这是图VDS左侧为0（电路板没有电）的原因。插入后，电压摆动，然后上升至48V。栅极开始转换，并让电流进入电路板，而在此期间，VDS随IDS增加而下降。

实现大负载热插拔
为了避免违反大负载电流安全工作区（SOA）曲线，必须在浪涌电流达到某个合理值时限制最大电流电平。

例如，在开启期间，大容量电容的典型充电电流为2A（40mV/20mohm）；因此，实际负载电流必须低于2A，如图4上方图所示。但在一些应用中，负载电流可以高得多，范围从5A到50A，如图4下方图所示。当然，这要求检测电阻RSNS的值非常低，以让最大限流进入负载。然而，在这些大电流下，IMAX同样非常高。很难选择正确的电流限制FET。例如，正常负载电流为10A，RSNS值必须低于4mohm (40mV/10A)。IMAX还会超出10A。

图5不同要求的理想电流波形

假设正常负载电流为10A，并考虑到FET的热力上升，我们应选择一个正确的Rdson。例如，选择FDB047N10：Rdson=4.7mOhm；Rθja=62.5℃/W；

假设环境温度为TA=40℃，FET的结温计算如下：


在稳定状态下，热力上升没有问题。另外，我们有必要查看SOA图，以确定FET是否能够处理在启动时的瞬态功耗。图5显示了FDB047N10的典型最大SOA。

25° C壳温和48V输入条件下，10A恒定电流的运行时间应短于1mS（参见图5中红色虚线），但它可以支持2A恒定电流约10mS的运行时间（参见图5中蓝色虚线）。在另一种方法中，小电流需要更多的时间来把大容量电容器充电至输入电压。因此，我们应在可靠性和充电时间上作出权衡，以选择一个合适的电流电平。

另外请记住，FET产品说明书中的SOA图是基于25°C环境壳温的；而在实际电源系统中，环境壳温会更高，因此我们必须考虑降低额定温度。应用手册《利用TPS2490/91的热插拔设计与FET瞬态散热响应》就是较好的参考文献。

图6FDB047N10的SOA曲线

满足高输出电流热插拔要求的一种简单方法是把LCA电流限制阈值与过流（OC）限制阈值隔离。然而，它们被整合在TPS2393A中。

仔细阅读产品说明书，我们可以发现，当满足下列条件时电源状态良好指示引脚（/PG）为低电平有效：
DRAINSNS引脚电压低于电源正常阈值（1.35V）。
IRAMP引脚电压高于5V。

因此，在LCA电流限制条件和过流状态下，我们可以使用/PG信号来改变旁路FET的电流电平。图6为简单的示意图。

图7添加偏置电流来改变实际负载

由于我们知道ISENS引脚为LCA的负端（控制在40mV），我们便可以得到如下方程式：

Io可以简化为：

图6中，R1=R2=470K，R3=680ohm，R4=4mohm。所以，启动时，实际负载电流Io≈1.3A。由图5所示SOA曲线（参见黄色虚线），1.3A恒定负载电流的最大SOA时间接近100 mS。

假设总输出电容器CLoad=100µF，最小充电时间为：

TPS2393A还可以通过IRAMP引脚上的电容器对“浪涌转换速率”进行编程，因此实际充电时间会更长。负载电容器充电时间小于最大SOA时间，所以，FET适合于电流设计。

TPS2393A还包括一个可编程“故障计时器”，用于保护FET。由前面的分析，我们可以把“故障时间”设置在3.7mS到100mS范围内。我们可利用如下方程计算该计时器电容器：

图7显示了启动波形，其已在EVM板上完成测试。

图8 偏置电流启动

当启动过程完成以后，/PG信号变低。流经R2的偏置电流可以忽略不计，最大负载电流会上升至。

由于R1直接连接至总线电压，因此偏置电流会随总线电压而变化。如果总线的电压范围较宽，则我们可以添加一个外部电路，用于向R1提供一个固定参考电压，这样偏置电流也将被固定。

结论
尽管TPS2393A只有一个相对较低的电流限制阈值，但只要稳定状态下的负载电流高于启动上升期间的充电电流，它仍可适用于更多的应用。本文介绍了一种在不同工作阶段（从上升到稳定）改变电流限制的方法。