PW1558A：电源管理的得力助手，6A双向限流过压保护IC全面解析

林百万666 · 发表于 2024-6-5 17:31:18

描述
PW1558A 是一款先进的 28V 6A 额定双向负载开关，提供过载、短路、输入电压浪涌、过大冲击电流和过热保护，为系统供电。内置的 24mΩ超低 RDS(ON)电源开关有助于减少正常操作期间的功率损耗。该设备具有两个输入/输出端口 VBUS1 和 VBUS2，其绝对 MAX 大额定值为 28V。每个端口都具有独立的使能、外部电流限制设置和放电控制引脚。当设备被禁用时，集成的两个 N 型通道电源开关 M1 和 M2 串联配置会阻止 VBUS1 和 VBUS2 两个端口之间的任何泄漏。
PW1558A 采用低轮廓 16 引脚 QFN 2.5mm x 3.2mm 封装。

功能特点
宽电源电压范围：支持 3V 至 24V 的宽电源电压范围
端口 VBUS1 和 VBUS2 的 28V 耐受能力
集成 24mΩ超低 RDS(ON)保护开关
外部可调软启动时间
外部可调输入过压阈值
短路保护
故障指示
热关断保护与自动恢复功能

应用
笔记本电脑、台式机、服务器和平板电脑
转接器和扩展坞
电源附件
Thunderbolt/USB Type-C PD 电源开关

典型应用

典型应用（20V， 5A）

引脚配置

引脚描述

表 1. EN1 和 EN2 控制上电序列

OVP 过压：防止输入尖峰高压和高压输入时，导致后面电路或 IC 损坏，如达到输入过压关闭阈值 6.1V 以上时，输出为 0V。
OCP 限流：限制 MAX 大通过电流值。超过如：如恒流；打嗝；关闭需要输入重新上电激活（仅 PW2602C 属于），三种表现，；根据不同负载类型（负载仪，手机，水泥电阻等等），超过限流值表现不同有恒流或打嗝。

功能框架图

MAX 大额定值（注 1）

推荐工作条件（注 3）

热信息（注 3，注 4）

注(1)：超过所列“绝对 MAX 大额定值”的应力可能会损坏该器件。
注(2)：该器件在推荐工作条件之外的性能不得到保证。
注(3)：在 JESD51-7 标准的 4 层 PCB 板上测量。
注(4)： MAX 大允许耗散功率是 MAX 大结温 TJ_MAX=125°C、结到环境的热阻θJA 和环境温度 TA 的函数。在任何环境温度下的 MAX 大允许连续耗散功率通过 PD_MAX=(TJ_MAX-TA)/θJA 计算得出。超过 MAX 大允许耗散功率会导致芯片温度过高，调节器将进入热关断状态。内部热关断电路可保护器件免受永久损坏。

电气特性
TA = +25°C， VBUS1=5V， RILIM1= RILIM2=5.1kΩ， RVLIM=200kΩ， CVBUS1=CVBUS4=C1=0.1μF，除非另有规定。

典型性能特性
（ CBUS1/2/3=22uF2+100uF ， C1/2/3=22uF2+0.1uF ， CBUS4/5/6=22uF*2+100uF ， TA=+25℃ ，除非另有说明。）

回流焊接曲线
IR 回流焊接曲线的分类

*峰值温度曲线（Tp）的公差定义为供应商 MAX 小值和用户 MAX 大值。
** 峰值温度曲线持续时间（tp）的公差定义为供应商 MAX 小值和用户 MAX 大值。
表 1. 无铅工艺-分类温度（Tc）

注：对于所有温度信息，请参考封装顶部，在封装体表面进行测量。

详细说明
PW1558A 是一款先进的双向电源开关，具有可调软启动、可调电流限制阈值、输入欠压、可调输入过压、过温和短路保护。该设备具有两个输入/输出端口 VBUS1 和 VBUS2，额定绝对 MAX 大值为 28V。每个端口都具有独立的使能、输入过压保护（OVP）、外部电流限制设置和放电功能。该设备集成了两个 N 型功率开关 M1 和 M2，它们串联并与公共漏极输出 MOUT 相连。当 EN1 和 EN2引脚都被拉低时，设备处于关机模式，并关闭两个电源开关 M1 和 M2，以防止在端口 VBUS1 和VBUS2 之间流动电流。用户通过控制 EN1 和 EN2 的序列来设置电源开关 M1 和 M2 的状态以及电流流动方向。请参考表 1 EN1 和 EN2 的开机序列。输出电压上升时间由内部 0.8 毫秒软启动或 SS引脚和 GND 之间的电容器外部可编程软启动控制。在成功启动序列后，设备主动监控每个电源开关的电流，以确保不超过由引脚 IADJ1/2 编程的过载电流限制 IADJ1/2。设备监控输入电压，并在输入电压尖峰超过由引脚 VADJ 设置的输入过压阈值时关闭电源开关。电流限制和输入过压保护使输出设备免受有害输入电压和电流瞬态的影响。该设备具有内置热敏传感器。如果设备结温（TJ）超过热调节点+125°C，电流限制将减少，直到 TJ 调节至+125°C 左右。在一些致命的输出短路事件中，设备结温（TJ）迅速上升并超过热关断阈值 TSD（通常为+150°C），设备将关闭。

应用信息
输入/输出双向端口 VBUS1/VBUS2
PW1558A 作为双向开关工作，允许电流根据 EN1/EN2 控制序列从 VBUS1 流向 VBUS2 或从 VBUS2流向 VBUS1。 VBUS1 或 VBUS2 可以连接到适配器输入电源或输出到外围设备。设备会自动选择来自 VBUS1 或 VBUS2 的电源，以较高者为准。推荐的 VBUS1/VBUS2 输入电压范围为 3V 至 24V，具有 28V 瞬态耐受性。在 VBUS1/VBUS2 引脚与地 GND 之间并联放置至少 22µFx2 或更高的高质量0.1μF 陶瓷型 X5R 或 X7R 旁路电容器，以实现适当的去耦。电容器的电压额定值应超过 MAX 大输入电压范围。在使用长电缆的短路情况下，电缆寄生电感和输出陶瓷电容形成高 Q LC 谐振器。短路高电流斜率 di/dT 可能会导致 VBUS1/VBUS2 引脚出现负电压， MAX 高可达-10V。 VBUS1/VBUS2引脚的负电压尖峰会触发引脚 ESD 二极管，对内部电源开关造成电压应力。如果 VBUS1 引脚和VBUS2 引脚之间的电压差超过 28V，电源开关将永久损坏。为了限制短路事件中 VBUS1/VBUS2 引脚的负电压尖峰，建议在输出陶瓷电容器旁边并联一个额外的 100µF 或 220µF 电解电容器。由于电解电容器的高 ESR 值，输出寄生 L-C 谐振器的 Q 值被阻尼。
EN1 和 EN2 使能控制
使能接口引脚 EN1/EN2 的开启/关闭阈值分别为 1.5V（MAX 小值）和 0.4V（MAX 大值）。 EN1 控制电源开关 M1（VBUS1 到 MOUT）， EN2 控制电源开关 M2（VBUS2 到 MOUT）。将 EN1 和 EN2引脚均拉低至关闭阈值以下（<0.4V）以禁用电源开关和所有保护电路，设备进入低功耗关机模式，仅从输入电源汲取 10µA 的电流。内部有一个 1MΩ下拉电阻，以确保在 EN1/EN2 引脚悬空时电源开关关闭。 EN1/EN2 引脚可承受 MAX 大 28V 电压尖峰。表 1 显示了 EN1 和 EN2 设置的开机序列和电流流向。
欠压锁定（UVLO）
PW1558A 会监控 VBUS1 和 VBUS2 的电源电压，并允许在 VBUS1 或 VBUS2 电压高于输入欠压锁定阈值 VUVLO（典型值为 2.75V）时打开电源开关。如果 VBUS1 和 VBUS2 的电压均低于输入欠压锁定阈值 VUVLO，设备将关闭电源开关。
过压保护（OVP）
PW1558A 会持续监控 VBUS1 和 VBUS2 的电源电压，并在 VBUS1 或 VBUS2 上的电压超过外部编程的过压保护阈值 VOVP 时，禁用电源开关并将 FLTB 引脚拉低以报告故障状态。一旦 VBUS1 和 VBUS2的电压降至输入过压阈值 VOVP 以下且没有其他保护电路处于活动状态，电源开关将重新开启。一个外部电阻 RVLIM 从 VADJ 引脚连接到 GND，用于设置过压保护阈值 VOVP。设备向 VADJ 引脚提供典型的 10µA 电流。通过外部 RVLIM 电阻的电压降 VVADJ，可以使用方程式（1）将过压阈值从 5V 调整到 24V：

推荐的输入过压阈值设置如表 2 所示。

表 2. 通过外部电阻 RVLIM 设置过压保护阈值

软启动
当 EN1 和 EN2 被置为高电平时，软启动控制电路会以控制电源开关栅极电压的方式，使输出电压在开机时线性上升，直到达到输入电压水平。开机时的冲击电流受到输出电压通过软启动时间上升的速率限制。内置的内部软启动时间典型值为 0.8 毫秒。如果用户希望软启动时间超过 0.8 毫秒，请在 SS 引脚和地之间连接一个外部电容 CSS 以重新调整软启动时间。外部软启动时间的大致计算方法见方程式（2）：

推荐的软启动时间设置如表 2 所示。

表 2. 通过外部电容 CSS 设置软启动时间

电流限制 IADJ1/IADJ2
对于电流受限的适配器或电源，用户可以编程输入电流限制级别，以防止负载电流超过电源。PW1558A 的不同电流方向的电流限制是通过连接在 IADJ1/IADJ2 和 GND 之间的外部电阻独立设置的。电源开关 M1（VBUS1 到 MOUT）的电流限制由 IADJ1 电阻 RILIM1 编程，电源开关 M2（VBUS2到 MOUT）的电流限制由 IADJ2 电阻 RILIM2 编程。如果发生过载，内部电路将根据 RILIM1/2 的值限制电流，并将 FLTB 引脚拉低以报告故障状态。 IADJ1 或 IADJ2 引脚不能短路到 GND。如果系统要求单个组件故障安全，请使用两个串联电阻来编程输入电流限制。电流限制电阻 RILIM 的选择可通过方程式（3）计算。

公共电流限制阈值设置如表 3 所示。

表 3. 通过外部电阻 RILIM1/2 设置电流限制

短路保护
PW1558A 集成了快速跳闸比较器，以便在 VBUS1 或 VBUS2 对地短路时快速关闭电源开关。该设备在短路保护中采用打嗝模式工作。一旦检测到短路故障，电源开关将被关闭并在给定时间内强制关闭。在预定时间结束时，将尝试通过软启动电源开关来重启。如果过载条件已消除，电源开关将打开并正常工作；否则，设备将再次遇到过流事件并再次关闭电源开关，重复之前的循环。由于过载产生的过热在打嗝循环中只会持续很短的时间，因此功率器件的结温要低得多。
热回折和热关断保护
PW1558A 持续监测电流，并将其限制为 RILIM1/RILIM2 编程设定的值。在正常操作或电流限制保护模式下，如果内部 MOSFET 的功耗 PD = |VVBUS1 - VVBUS2| × ILOAD 过高， PW1558A 将启动热回折以降低电流限制值，从而将结温（TJ）维持在+125°C 左右。图 4 显示了热回折电流限制。在某些致命的输出短路事件中，输出电压在电流限制 IIADJ1/IIADJ2 时下降。这将导致结温 TJ 随着功耗的增加而增加，设备结温（TJ）迅速上升并超过热关断阈值 TSD（通常为+150°C），设备将关闭电源开关并将负载与电源断开。在冷却期间， PW1558A 将保持关闭状态，直到结温降至 TSD -20°C 以下，之后设备将尝试重新启动。

故障指示器 FLTB
FLTB 是一个开漏输出，需要连接一个外部上拉电阻至任何小于 28V 的电压。建议上拉电阻值为 10kΩ至 1000kΩ。 FLTB 引脚指示电源开关的状态。当未检测到故障且电源开关导通时， FLTB 保持高阻抗 HiZ。当发生以下任一故障事件时，设备将生成警告标志并使 FLTB 输出低电平： VBUS1/VBUS2过压、过电流限制、短路和过热。当发生过电流或短路事件时， FLTB 输出在典型的 3 毫秒去抖动时间内变为低电平。 FLTB 信号保持“低”状态，直到设备以典型的 1.5 毫秒去抖动时间退出故障事件。

VBUS1/VBUS2 端口放电功能
VBUS1 端口的放电功能由外部控制输入 DISC1 控制，而 VBUS2 端口的放电功能由外部控制输入DISC2 控制（DISC1/2=Hi，将 VBUS1/2 放电至 GND； DISC1/2=Lo，禁用 VBUS1/2 放电功能）。内部放电电阻约为 350Ω。
从 MOUT 引脚取电
PW1558A 集成了两个 N 通道电源开关 M1 和 M2，它们与公共漏极输出 MOUT 串联。虽然当EN1/EN2 引脚被拉高时， MOUT 引脚可以为其他电路提供电力，但使用时需要特别注意。如果使用 MOUT 引脚，请使用至少 0.1µF 的 MLCC 电容器将 MOUT 旁路到 GND。从 MOUT 引脚抽取的电流会影响 IADJ1/IADJ2 引脚上的电流限制设置精度。由于电源开关 M1 和 M2 的体二极管， MOUT引脚不受过载和短路故障事件的保护。每当 VBUS1 或 VBUS2 引脚上施加电源电压时， MOUT 将通过电源开关 M1/M2 或 M1/M2 的体二极管跟随电源电压。当 MOUT 引脚上发生短路时，电流不能被 PW1558A 限制。如果需要对 MOUT 引脚进行过载或短路保护，建议在 MOUT 引脚和任何下游电路之间添加一个负载开关 IC。
布局指南
良好的 PCB 布局对于提高 PW1558A 的热性能和整体性能非常重要。为了优化开关对输出短路条件的响应时间，请保持所有走线尽可能短，以减少电源/GND 走线寄生电感的影响，并在 VBUS1/VBUS2到 GND 之间添加 EC 电容器（MAX 多 100uF），以补偿电源线（例如 USB Type C 线）的不必要寄生电感。
 VBUS1、 MOUT 和 VBUS2 引脚按照以下图示连接，以减少阻抗并改善功率损耗
 使用接地平面来增强 PW1558A 的散热能力。
 将输入和输出旁路电容器尽可能靠近 VBUS1、 VBUS2 和 MOUT 引脚放置。