ZHCACQ8 may 2023 LM7480-Q1 , LM74900-Q1
引言
區域架構中的分散式配電導致區域模塊和配電盒具有多個冗余電源輸入。容納多個電源的一種方法是實施電源多路復用器 (MUX)。電源多路復用器是從兩個或更多個電源之間選擇為單個輸出端供電的電路。本應用簡報討論了如何使用 LM74800-Q1 理想二極管控制器實現優先級電源多路復用器。
當主電源電壓低于設計閾值時，優先級電源多路復用器會自動將主電源轉換為輔助 (AUX) 或次級電源。如果可用且處于可接受限值內，主電源為負載供電的優先級始終最高。例如，如果上游智能保險絲在主電源上跳閘到區域模塊，則優先級電源多路復用器電路會自動將 AUX 電源連接到輸出端，并從輸出端斷開主電源，以避免區域模塊運行中斷。如果上游智能保險絲復位且主電源電壓上升到設計閾值以上，則優先級電源多路復用器電路會自動將主電源連接回輸出端并斷開 AUX 電源。
LM74800-Q1 可驅動背對背 N 溝道 MOSFET (FET)，二極管 FET (QDIODE) 可阻斷電源之間的反向電流，而負載開關 FET (QLOAD) 則會將電源與輸出端斷開。每個電源軌使用 LM74800-Q1 控制外部 FET，并在輸出節點處將每個電源軌的輸出連接在一起，以便為直流/直流轉換器、LDO 等下游負載供電。圖 1 顯示了使用兩個 LM74800-Q1 器件的優先級電源多路復用器的方框圖。
圖 1 使用 LM74800-Q1 的優先級電源多路復用器方框圖背對背 FET 拓撲
LM74800-Q1 可以驅動兩種配置的 FET：共漏極 (CD) 和共源極 (CS)。在 CD 拓撲中，兩個 FET 的漏極端子連接在一起，如圖 2 所示。當 LM74800-Q1 處于關斷模式時，CD 節點可通過 Q1CD 的體二極管為關鍵的常開負載供電。在輸入端施加反向電壓時，Q1CD 立即關斷，保護 CD 節點和輸出端負載免受負電壓的影響。由于 CD 節點始終在輸入電壓為正時受電，因此 VS 引腳可直接連接到 CD 節點，從而簡化連接。CD 拓撲的缺點是 CD 節點始終處于高電平，即使在 FET 關斷時也是如此，這是 Q1CD 的體二極管使然。因此，無法通過測量 FET 兩端的電壓來檢查 Q1CD 是否發生短路故障。
圖 2 共漏極拓撲在 CS 拓撲中，兩個 FET 的源極端子連接在一起，如圖 3 所示。CS 拓撲在少數應用中是特別有用，例如 Q1CS 短路故障檢測和 200V 負載突降保護。可以在 Q1CS 上進行電壓測量，以檢測由于體二極管方向而導致的短路故障情況。僅當 Q1CS 導通時，CS 節點才必須等于輸入電壓。如果 Q1CS 關斷時 CS 節點電壓較高，則 Q1CS 在源極和漏極之間短接。如果需要 200V 負載突降保護，請參閱 LM7480-Q1 具有負載突降保護功能的理想二極管控制器 中的方框圖。在本應用簡報中，假設只會發生抑制的負載突降情況。
圖 3 共源極拓撲采用 LM74800-Q1 的優先級電源多路復用器設計
優先級電源多路復用器電路使用兩個電源：主電源 (VPRIM) 和 AUX 電源 (VAUX)，前者用作主要電源，后者用作備用或次級電源。圖 4 顯示了在 CD 拓撲中使用兩個 LM74800-Q1 器件的優先級電源多路復用器的原理圖，圖 5 顯示了 CS 拓撲。與 CD 拓撲相比，CS 拓撲需要額外的二極管 D2（如前一節所述）和 D4。
圖 4 CD 中的優先級電源多路復用器
圖 5 CS 中的優先級電源多路復用器在 CD 和 CS 拓撲中，兩個 LM74800-Q1 器件都必須監測 VPRIM。U1 通過 EN/UVLO 引腳設置欠壓 (UVLO) 閾值來監測 VPRIM，U2 通過 OV 引腳設置過壓 (OV) 閾值來監測 VPRIM，該 OV 引腳通過在 EN/UVLO 開啟時啟用的內部開關連接到 VPRIM。U2 OV 閾值必須設置為略高于 U1 UVLO 閾值的電壓，因此絕不會出現兩個電源都與負載斷開的情況。
當 VPRIM 處于可接受的電壓范圍內時，U1 被啟用，并導通 FET QLOAD-PRIM（Q2CD 或 Q1CS）和 QDIODE-PRIM（Q1CD 或 Q2CS），以將 VPRIM 連接到輸出端。同時，U2 處于 OV 狀態，因為 VPRIM 大于 OV 閾值電壓，并且 QLOAD-AUX（Q4CD 或 Q3CS）被關閉，以斷開 AUX 電源與負載的連接。由于輸出由 VPRIM 提供，U2 會檢測到反向電壓，并且 QDIODE-AUX（Q3CD 或 Q4CS）被關閉。
當 VPRIM 降至 U1 UVLO 和 U2 OV 閾值電壓以下時，U1 會關閉 QLOAD-PRIM 以斷開主電源，而 U2 會打開 FET QLOAD-AUX 和 QDIODE-AUX 以將 AUX 電源連接到輸出端。如果 VPRIM 上升到高于 U1 UVLO 和 U2 OV 閾值電壓，則 U1 會打開 QLOAD-PRIM 和 QDIODE-PRIM 以重新連接主電源，而 U2 會關閉 QLOAD-AUX 和 QDIODE-AUX 以斷開 AUX 電源與輸出端的連接并防止反向電流。
在兩個電源同時通過 QLOAD-PRIM 和 QLOAD-AUX 導通的情況下，U1 和 U2 通過 QDIODE-PRIM 和 QDIODE-AUX 提供反向電流保護。如果兩個電源都打開，則電源多路復用器充當二極管或，并提供兩個輸入電壓（主電源或 AUX 電源）中的較大者。此外，如果 VPRIM 和 VAUX 都處于完全相同的電壓并且未超過反向電壓閾值范圍（-6.4mV 至 -1.3mV），LM74800-Q1 會通過 DGATE 灌入電流，并關斷 QDIODE-AUX，以防在沒有電流流經 FET 時使 FET 保持導通狀態。
在任何電源多路復用器系統中，目標都是盡可能縮短 QLOAD-PRIM（主電源開關）關閉且負載過渡至從 VAUX 取電（即 AUX 電源開關 QLOAD-AUX 導通）的時間，以縮短負載未連接輸入電源的時間。為此，需要縮短 QLOAD-AUX 的開通時間才能快速開通。但是，HGATE 引腳只能為 QLOAD-AUX 提供 66μA 的柵極電流。通過將 Q5 的發射極連接到 QLOAD-AUX 的柵極，由于 Q5 通過集電極連接到 CAP 引腳，柵源電流可能會增加。此外，可以通過更改 R5 的電阻值來調節 QLOAD-AUX 柵源電流。此外，通過實現 D3 來提供 Q5 周圍的路徑，以關閉 QLOAD-AUX。
表 1 顯示了汽車示例應用中每個器件的條件和 FET 的狀態，其中 VPRIM 和 VAUX 均為 12V 標稱值。對于 U1，OV 閾值設置為 16V，UVLO 閾值設置為 8V，兩者均取決于 VPRIM。對于 U2，OV 閾值和 UVLO 閾值均設置為 8.1V，前者取決于 VPRIM，后者取決于 VAUX。
| 主電源電壓范圍 | 主電源 LM74800-Q1 狀態 | 主電源 FET 狀態 | AUX 電壓范圍 | AUX LM74800-Q1 狀態 | AUX FET 狀態 | VOUT 供電方 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VPRIMARY > 16V | OV | QLOAD-PRIM 關閉，QDIODE-PRIM 關閉 | VAUX < 8.1V | UVLO | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | 無 |
| VPRIMARY > 16V | OV | QLOAD-PRIM 關閉，QDIODE-PRIM 關閉 | VAUX > 8.1V | OV | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | 無 |
| 8.1V < VPRIMARY < 16V | 正常 | QLOAD-PRIM 導通，QDIODE 導通 | VAUX < 8.1V | UVLO | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | VPRIMARY |
| 8.1V < VPRIMARY < 16V | 正常 | QLOAD-PRIM 導通，QDIODE-PRIM 導通 | VAUX > 8.1V | OV 和 QDIODE 塊 | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | VPRIMARY |
| 8V < VPRIMARY < 8.1V | 正常 | QLOAD-PRIM 導通，QDIODE-PRIM 導通 | VAUX < 8.1V | UVLO | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | VPRIMARY |
| 8V < VPRIMARY < 8.1V | QDIODE 塊 | QLOAD-PRIM 導通，QDIODE-PRIM 關閉 | VAUX > 8.1V | 正常 | QLOAD-AUX 導通，QDIODE-AUX 導通 | VAUX |
| VPRIMARY < 8V | UVLO | QLOAD-PRIM 關閉，QDIODE-PRIM 關閉 | VAUX < 8.1V | UVLO | QLOAD-AUX 關閉，QDIODE-AUX 關閉 | 無 |
| VPRIMARY < 8V | UVLO | QLOAD-PRIM 關閉，QDIODE-PRIM 關閉 | VAUX > 8.1V | 正常 | QLOAD-AUX 導通，QDIODE-AUX 導通 | VAUX |
測試結果
創建了一個測試板，用于演示在 CS 拓撲中使用 LM74800-Q1 的優先級電源多路復用器電路的功能。圖 6 顯示了主電源關斷時主電源、HGATE-PRIMARY、HGATE-AUX 以及輸出電壓 (VOUT) 的波形。當主電源上的電壓關閉時，HGATE-AUX 將在 HGATE-PRIMARY 關閉之前打開。由于主電源到 AUX 電源的快速轉換，輸出壓降非常小。
圖 6 主電源下降圖 7 顯示了主電源導通時主電源、HGATE-PRIMARY、HGATE-AUX 以及輸出電壓 (VOUT) 的波形。當主電源上的電壓打開時，HGATE-PRIMARY 將在 HGATE-AUX 關閉之前打開。在此轉換期間，VOUT 上的電壓保持穩定。
圖 7 主電源上升具有過流 (OC) 保護的優先級電源多路復用器
通過在系統中添加外部電流檢測放大器，使用 LM74800-Q1 的優先級電源多路復用器還可支持共源極拓撲中的過流保護。建議使用 INA300-Q1 等電流檢測放大器，因為當檢測到過流時，該器件可以通過將 EN/UVLO 拉低來關斷連接到 LM74800-Q1 器件的外部 FET，從而閉鎖電源電壓。每個電源都實現了一個電流檢測放大器來監測獨立電源電流。請注意，如果系統中尚未提供常開電源軌，則需要一個額外的寬輸入電壓 LDO。圖 8 所示為包括 INA300-Q1 的方框圖。
圖 8 CS 中帶 LM74800-Q1 和 INA300-Q1 的優先級電源多路復用器如果首選共漏極拓撲，則 LM74900-Q1 可以替代優先級電源多路復用器電路中的 LM74800-Q1。LM74900-Q1 具有集成過流保護功能，無需外部電流檢測，從而節省成本和空間。圖 9 所示為使用 LM74900-Q1 的方框圖。
圖 9 具有 LM74900-Q1 的優先級電源多路復用器結論
優先級電源多路復用器用于根據主電源的電壓電平在主電源和 AUX 電源之間進行切換。LM74800-Q1 用于優先級電源多路復用器應用，背對背 FET 采用共源極或共漏極拓撲配置。如果應用中需要過流保護，由于集成了過流保護和短路保護功能，在 LM74800-Q1 優先級電源多路復用器設計中添加了一個額外的電流檢測放大器，或者將 LM74800-Q1 替換為 LM74900-Q1，但該器件只能用于共漏極拓撲。