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ZHCSXO3 December 2024 TPS4812-Q1

PRODUCTION DATA

封裝選項(xiàng)

請參考 PDF 數(shù)據(jù)表獲取器件具體的封裝圖。

機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)

RGE|23

散熱焊盤機(jī)械數(shù)據(jù) (封裝 | 引腳)

訂購信息

9.2.2 詳細(xì)設(shè)計過程

電流檢測電阻 R_SNS 的選型

基于 I²t 的過流保護(hù)閾值電壓 V_{(SNS_OCP)} 建議范圍可從 6mV 擴(kuò)展至 200mV。接近下限閾值 6mV 的值可能會受到系統(tǒng)噪聲的影響。接近上限閾值 200mV 的值可能會導(dǎo)致電流檢測電阻中產(chǎn)生高功率耗散。為了最大限度解決這兩個問題，應(yīng)選擇 20mV 作為 I²t 保護(hù)啟動閾值電壓?？梢允褂靡韵鹿接嬎汶娏鳈z測電阻 R_SNS：

方程式 20.

R_{S N S} = \frac{V_{(S N S_O C P)}}{I_{O C}}

若 I²t 保護(hù)啟動閾值為 40A (I_OC)，則 R_SNS 計算結(jié)果為 0.5mΩ，

可以并聯(lián)使用兩個 1mΩ 1% 檢測電阻。

選擇 IMON 調(diào)節(jié)電阻 R_SET

R_SET 是在 VS 或輸入電源與 CS1+ 引腳之間連接的電阻。該電阻可調(diào)節(jié)基于 I²t 的過流保護(hù)閾值電壓，并與 R_IOC、C_I2t 上的充電電流和 R_IMON 協(xié)調(diào)配合，以確定 I²t 曲線和電流監(jiān)測輸出。

根據(jù)以下公式，I²t 引腳上的最大電流可以基于短路保護(hù) (I_SC) 閾值計算：

方程式 21.

I_{I 2 t_M A X} (μ A) = K \times {I_{S C}}^{2}

其中，比例因數(shù) K 可以根據(jù)以下公式計算：

方程式 22.

S c a l i n g f a c t o r (K) = \frac{{(0.1 \times \frac{R_{S N S}}{R_{S E T}})}^{2}}{I_{B I A S}}

需要調(diào)整 R_SET，以便 I_{I2t_MAX} 始終小于 100μA。R_SET 建議范圍為 100Ω 至 500Ω。

在本設(shè)計示例中，R_SET 選為 300Ω 1%，使 I_{2t_MAX} 小于 100μA。

選擇電流監(jiān)測電阻 R_IMON

IMON 引腳上的電壓 V_(IMON) 與輸出負(fù)載電流成比例。它可以連接到下游系統(tǒng)的 ADC，用于監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和健康狀態(tài)。必須根據(jù)最大負(fù)載電流和所用 ADC 的輸入電壓范圍，選擇 R_IMON。R_IMON 通過以下公式設(shè)置：

方程式 23.

V_{(I M O N)} = (V_{S N S} + V_{(V O S_S E T)}) \times \frac{0.9 \times R_{I M O N}}{R_{S E T}}

其中，V_SNS = I_{OC_MAX} × R_SNS，V_{(OS_SET)} 是電流檢測放大器的輸入基準(zhǔn)的失調(diào)電壓 (±150μV)。若 I_{OC_MAX} = 120A 且 ADC 的工作范圍為 0V 至 3.3V（例如，V_(IMON) = 3.3V），則 R_IMON 計算結(jié)果為 18.33kΩ。

通過為 R_IMON 選擇小于方程式 23 所示的值，可確保負(fù)載電流最大值不超過 ADC 限值。選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：18.2kΩ，1%

選擇主路徑 MOSFET Q1 和 Q2

選擇 MOSFET Q1 和 Q2 時，重要的電氣參數(shù)為最大持續(xù)漏極電流 ID、最大漏源電壓 V_DS(MAX)、最大柵源電壓 V_GS(MAX) 以及漏源導(dǎo)通電阻 R_DS(ON)。最大持續(xù)漏極電流 (ID) 等級必須超過最大持續(xù)負(fù)載電流。最大漏源電壓 V_DS(MAX) 必須足夠高，以便承受應(yīng)用中所見的最高電壓?？紤]負(fù)載突降導(dǎo)致最高應(yīng)用電壓為 60V，因此該應(yīng)用選擇 VDS 額定電壓為 80V 的 MOSFET。

TPS4812-Q1 可驅(qū)動的最大 VGS 為 12V，因此必須選擇 VGS 最小額定值為 15V 的 MOSFET。

為了降低 MOSFET 導(dǎo)通損耗，建議選擇合適的 R_DS(ON)。根據(jù)設(shè)計要求，選擇的是兩個 IAUS200N08S5N023，其電壓等級為：

80V V_DS(MAX) 和 ±20V V_GS(MAX)
在 10V VGS 下，R_DS(ON) 的典型值為 2.3mΩ
MOSFET Qg(total) 的最大值為 110nC

TI 建議確保短路條件（如 V_{BATT_MAX} 和 I_SC）處于所選 FET（Q1 和 Q2）的 SOA 范圍內(nèi)，從而大于 t_SC（最大 5μs）時序。

選擇自舉電容器 C_BST

內(nèi)部電荷泵以大約 600μA 的電流為外部自舉電容器（連接在 BST 和 SRC 引腳之間）充電。使用以下公式，計算驅(qū)動兩個并聯(lián) BUK7J1R4-40H MOSFET 所需的自舉電容最小值。

方程式 24.

C_{B S T} = \frac{Q_{g (t o t a l)}}{1 V}

選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：220nF，10%。

I²t 曲線編程，R_IOC 和 C_I2t 選擇

R_IOC 用于設(shè)置 I²t 保護(hù)啟動閾值，該阻值可使用以下公式計算：

方程式 25.

R_{I O C} (Ω) = \frac{V_{(R E F_O C)}}{K \times {(I_{O C})}^{2}}

其中，比例因數(shù) K 可使用以下公式計算：

方程式 26.

S c a l i n g f a c t o r (K) = \frac{{(0.1 \times \frac{R_{S N S}}{R_{S E T}})}^{2}}{I_{B I A S}}

若要將 I²t 保護(hù)啟動閾值設(shè)置為 40A，則 R_IOC 值計算結(jié)果為 23kΩ。

選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：23k?，1%。

在最大過流限值 (I_{OC_MAX}) 下關(guān)斷柵極驅(qū)動所需的時間可使用以下公式確定：

方程式 27.

t_{O C_M I N} (s) = \frac{I 2 T f a c t o r}{I_{O C_M A X} \times I_{O C_M A X}}

若要將 I²t 因數(shù)設(shè)置為 3000A²s，則 t_{OC_MIN} 值計算結(jié)果為 208ms。

使用方程式 28 可計算所需的 C_I2t 值：

方程式 28.

C_{I 2 t} (F) = \frac{K \times t_{O C_M I N}}{V_{(I 2 t_O C)} - V_{(I 2 t_O F F S E T)}} \times [{I_{O C_M A X}}^{2} - {I_{O C}}^{2}]

若要將 I²t 因數(shù)設(shè)置為 3000A²s，將 I²T 啟動閾值設(shè)置為 40A 且最大過電流設(shè)置為 120A，則 C_I2t 計算結(jié)果為約 880nF。

選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：1μF，10%。

短路保護(hù)閾值編程，R_ISCP 選擇

R_ISCP 用于設(shè)置短路保護(hù)閾值，該值可使用以下公式計算：

方程式 29.

R_{I S C P} (k Ω) = \frac{{I_{S C} \times R}_{S N S} - 1.8}{I_{S C P}}

若要將短路保護(hù)閾值設(shè)置為 130A，則兩個并聯(lián) FET 的 R_ISCP 值計算結(jié)果為 2.53kΩ。選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：2.55k?，1%。

故障計時器周期編程，C_TMR 選擇

就正在討論的設(shè)計示例而言，可以通過選擇從 TMR 引腳到接地的合適電容器 C_TMR，設(shè)置自動重試時間 t_RETRY。使用以下公式可計算 C_TMR 的值以便將 t_RETRY 設(shè)置為 1ms：

方程式 30.

t_{R E T R Y} (s) = 64 \times C_{T M R} \times [\frac{V_{(T M R_H I G H)} - V_{(T M R_L O W)}}{I_{(T M R_S R C)}}]

若要將自動重試時間設(shè)置為 1000ms，則 C_TMR 值計算結(jié)果為 39.06nF。

選擇最接近的可用標(biāo)準(zhǔn)值：47nF，10%。

負(fù)載喚醒閾值編程，R_BYPASS 和 Q3 選擇

在正常運(yùn)行期間，電阻 R_BYPASS 與旁路 FET R_DSON 一起用于設(shè)置負(fù)載喚醒電流閾值。選擇 MOSFET Q3 時，重要的電氣參數(shù)為最大持續(xù)漏極電流 ID、最大漏源電壓 V_DS(MAX)、最大柵源電壓 V_GS(MAX) 以及漏源導(dǎo)通電阻 R_DS(ON)。

根據(jù)設(shè)計要求，選擇的是 SQS182ELNW-T1，其電壓等級為：

80V V_DS(MAX) 和 ±20V V_GS(MAX)
在 10V VGS 下，R_DS(ON) 的典型值為 11mΩ
MOSFET Q_g(total) 的典型值為 26nC
MOSFET V_GS(th) 的最小值為 1.4V
MOSFET C_ISS 的典型值為 1457pF

可以使用以下公式選擇 R_BYPASS 電阻值：

方程式 31.

R_{B Y P A S S} = \frac{V_{(L W U)}}{I_{L W U}}

若要設(shè)置 200mA 負(fù)載喚醒電流，則 R_BYPASS 電阻計算結(jié)果為 1Ω。

可通過以下公式計算旁路電阻器的平均額定功率：

方程式 32.

P_{A V G} = {I_{L W U}}^{2} \times R_{BY PA SS}

R_BYPASS 平均功率耗散計算結(jié)果為 0.04W。

以下公式可計算旁路電阻器中的峰值功率耗散：

方程式 33.

P_{P E A K} = \frac{{V_{B A T T_M A X}}^{2}}{R_{BY PA SS}}

R_BYPASS 的峰值功率耗散計算結(jié)果為約 3600W。短路進(jìn)入 LPM 時上電的峰值功率耗散時間可以通過電氣特性表中的 t_{(LPM_SC)} 參數(shù) (5μs) 推導(dǎo)出來。

根據(jù) P_PEAK 和 t_{(LPM_SC)}，應(yīng)并聯(lián)兩個 2Ω、1%、1.5W CRCW25122R00JNEGHP 電阻，從而實(shí)現(xiàn)平均功率耗散和峰值功率耗散持續(xù) t_{(LPM_SC)} 以上。TI 建議設(shè)計人員與電阻制造商分享旁路電阻器的整個功率耗散曲線并獲取他們的建議。

可根據(jù)以下公式計算旁路路徑中的峰值短路電流：

方程式 34.

I_{P E A K_B Y P A S S} = \frac{V_{B A T T_M A X}}{R_{BY PA SS}}

根據(jù)方程式 36 中選擇的 R_BYPASS，計算出 I_{PEAK_BYPASS} 為 60A。TI 建議設(shè)計人員確保旁路路徑 (Q3) 的工作點(diǎn)（V_{BATT_MAX}、I_{PEAK_BYPASS}）處于 SOA 曲線內(nèi)的時間大于 t_{(LPM_SC)}。

設(shè)置欠壓鎖定設(shè)定點(diǎn)，R3 和 R4

通過連接在器件 VS、EN/UVLO 和 GND 引腳之間的 R3 和 R4 外部分壓器網(wǎng)絡(luò)可調(diào)整欠壓鎖定 (UVLO)。設(shè)置欠壓和過壓所需的值通過求解以下公式計算得出：

方程式 35.

V_{(U V L O R)} = V_{I N U V L O} \times \frac{R 4}{R 3 + R 4}

為了盡可能降低從電源汲取的輸入電流，TI 建議對 R3 和 R4 使用較高的電阻值。但是，由于連接到電阻器串的外部有源元件而產(chǎn)生的漏電流會增加這些計算的誤差。因此，選擇的電阻串電流 I_(R34) 必須比 UVLO 引腳的漏電流大 20 倍。

根據(jù)器件電氣規(guī)格，V_(UVLOR) = 1.2V。根據(jù)設(shè)計要求，V_INUVLO 為= 24V。為了求解該公式，首先選擇 R3 = 470kΩ 值，然后使用方程式 35 求解 R4 = 24.3k?。

選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值：R3 = 470k?，R4 = 24.9k?。