STMPS2171STR

إن STMPS2171STR من STMicroelectronics هو مفتاح توزيع طاقة أحادي القناة عالي الجانب مصمم للتطبيقات التي من المحتمل أن تواجه أحمالاً ثقيلة ودوائر قصيرة مكثفة، مثل توزيع طاقة منفذ USB، وإمدادات الطاقة بالتبديل السريع، وتبديل الأحمال للأغراض العامة.

يدمج STMPS2171 مفتاح طاقة MOSFET بقناة N بقناة 90 mOhm مع ميزات حماية شاملة (التيار الزائد، والإغلاق الحراري، وقفل الجهد المنخفض، وحجب التيار العكسي) ومخرج الإبلاغ عن الأعطال، كل ذلك في حزمة SOT-23 صغيرة ذات 5 سنون. ويحل هذا المستوى من التكامل محل ما كان سيتطلب بخلاف ذلك مفتاح MOSFET منفصل، ومحرك بوابة، ومقاوم استشعار التيار، ومقارن، ودائرة حماية حرارية، مما يقلل من عدد المكونات ومساحة لوحة PCB وتعقيد التصميم.

STMPS2171 هو متغير التيار المستمر 1 أمبير في عائلة STMPS21x1. تضم العائلة أربعة أعضاء بتصنيفات تيار مختلفة: STMPS2141 (0.5 أمبير)، وSTMPS2151 (0.5 أمبير، عتبة حد تيار مختلف)، وSTMPS2161 (1 أمبير، عتبة حد تيار مختلف)، وSTMPS2171 (1 أمبير). تشترك جميعها في نفس التوصيلة والحزمة مما يسمح بخيارات مختلفة للحد الحالي دون تغييرات في ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

يوفر مفتاح MOSFET ذو القناة N 90 mOhm مقاومة تشغيل نموذجية (120 mOhm كحد أقصى)، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد بمقدار 90 mV فقط عند تيار حمل 1 أمبير. يضمن هذا الانخفاض المنخفض في الجهد أن يتلقى الحمل جهد الدخل الكامل تقريبًا، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات USB حيث يجب أن يظل الجهد في الجهاز أعلى من 4.75 فولت (الحد الأدنى لمواصفات USB 2.0) من مصدر 5 فولت.

تعني طوبولوجيا المفتاح عالي الجانب أن المفتاح يوضع بين مصدر الطاقة والحمل (في السكة الموجبة)، بدلاً من مسار العودة الأرضي. هذه هي الطوبولوجيا المفضلة لتطبيقات USB وتطبيقات المبادلة الساخنة لأنها تفصل الحمل تماماً عن الإمداد عند إيقاف تشغيل المفتاح، مما يمنع أي مسارات تيار متسلل. يتم استخدام MOSFET N-channel MOSFET مع مضخة شحن داخلية لتوليد جهد البوابة فوق جهد الدخل، مما يضمن إمكانية تعزيز MOSFET بالكامل حتى عندما يساوي VIN VIN VOUT.

تحد الحماية من التيار الزائد من تيار الخرج إلى حوالي 120 بالمائة من التيار المقنن (حوالي 1.2 أمبير للتيار المقنن في STMPS2171) عند حدوث عطل. يمنع وضع الحد من التيار المستمر من تلف MOSFET بسبب التيار الزائد، بينما يوفر الإغلاق الحراري طبقة حماية ثانوية إذا استمرت حالة الحد الحالي وارتفعت درجة حرارة الوصلة فوق 135 درجة مئوية.

تعد ميزة حجب الأعطال التي تبلغ 10 مللي ثانية مهمة بشكل خاص لتطبيقات المبادلة الساخنة. عندما يتم توصيل حمل بمكثفات إدخال كبيرة بالإخراج، يمكن أن يتجاوز تيار التدفق الداخلي عتبة الحد الحالي للحظات. بدون طمس العطل، قد يتسبب ذلك في تأكيد خطأ FAULT كاذب ومن المحتمل أن يؤدي إلى إيقاف تشغيل المنفذ. تسمح فترة الطمس التي تبلغ 10 مللي ثانية للتيار المتدفق بالسعة بالاستقرار قبل تأكيد خرج FAULT، مما يمنع إشارات العطل المزعجة أثناء أحداث التبديل السريع العادية.

تمنع خاصية حجب التيار العكسي التيار من التدفق العكسي من الخرج إلى الدخل عندما يكون المفتاح معطلاً (EN = منخفض) أو عندما يكون الجهاز غير مزود بالطاقة (VIN = 0 فولت). وهذا أمر مهم في التطبيقات التي تعمل بالبطارية حيث قد يتم فصل البطارية بينما لا يزال الخرج متصلاً بجهاز خارجي يعمل بالطاقة، أو في الأنظمة متعددة المصادر حيث قد يتدفق أحد الإمدادات إلى الخلف من خلال المفتاح.

إن الاعتراف بشهادة UL (الملف E354278) مهم للمعدات التي يجب أن تفي بمعايير السلامة UL، حيث إنها تبسط عملية الاعتماد للنظام ككل.

وبسعر $0.32 لكل وحدة حجم (1000+)، يُعد STMPS2171STR أحد أكثر مفاتيح الطاقة عالية الجانب المتوفرة بتكلفة 1 أمبير فعالية من حيث التكلفة، مما يجعلها عملية لإضافة الحماية والتبديل إلى كل منفذ USB وسكة طاقة في النظام.

يعمل STMPS217171STR كمفتاح طاقة MOSFET عالي القناة N-قناة N مع مضخة شحن مدمجة ومحدد للتيار والحماية الحرارية والإبلاغ عن الأعطال.

مفتاح MOSFET ذو القناة N: عنصر تبديل الطاقة هو MOSFET ذو القناة N متصل بين دبابيس VIN و VOUT. لتحسين قناة N MOSFET MOSFET بالكامل (تشغيله مع الحد الأدنى من RDS(on)، يجب أن يكون جهد البوابة أعلى من جهد المصدر على الأقل بجهد العتبة (VGS(th)، عادةً 1-2 فولت) بالإضافة إلى الزيادة المطلوبة. نظرًا لأن المصدر متصل ب VIN، يجب أن تكون البوابة مدفوعة فوق VIN. تقوم مضخة شحن داخلية بتوليد جهد محرك البوابة هذا من مصدر الإدخال. تعمل مضخة الشحن بشكل مستمر عندما يتم تمكين المفتاح، مما يحافظ على جهد البوابة أعلى من VIN بحوالي 5 فولت لضمان تعزيز MOSFET بالكامل. عندما يتم تعطيل المفتاح (EN = منخفض) أو أثناء UVLO، تتوقف مضخة الشحن ويتم سحب البوابة إلى الأرض، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل MOSFET.

تمكين التحكم: دبوس EN هو مدخل منطقي مع عتبات متوافقة مع CMOS وTTL. عندما يكون EN مرتفعًا (أعلى من 1.5 فولت تقريبًا)، تعمل مضخة الشحن ويتم تشغيل MOSFET. عندما يكون EN منخفضًا (أقل من 0.8 فولت تقريبًا)، تتوقف مضخة الشحن ويتم إيقاف تشغيل MOSFET. يمكن تشغيل مدخل التمكين مباشرةً بواسطة GPIO لوحدة تحكم دقيقة أو بواسطة دوائر منطقية. يبلغ تيار الاستعداد عند التعطيل 12 وحدة أمبير فقط كحد أقصى.

قفل الجهد المنخفض (UVLO): تراقب دائرة UVLO جهد الدخل (VIN). عندما ينخفض VIN إلى أقل من عتبة UVLO (2.0-2.5 فولت تقريبًا)، يتم إيقاف تشغيل المفتاح بغض النظر عن حالة الإدخال EN. وهذا يمنع MOSFET من العمل بجهد محرك بوابة غير كافٍ، مما قد يتسبب في تشغيله في المنطقة الخطية مع ارتفاع RDS (تشغيل) وتبديد طاقة مفرط. يحتوي UVLO على تباطؤ (حوالي 100-200 مللي فولت) لمنع حدوث تذبذب بالقرب من العتبة. يتم تأكيد خرج FAULT على الفور عند تنشيط UVLO.

تحديد التيار: تراقب دائرة الحد من التيار التيار التيار عبر MOSFET باستخدام عنصر استشعار داخلي (نسخة متماثلة متدرجة من MOSFET الطاقة). عندما يتجاوز تيار الخرج عتبة الحد الحالي (حوالي 1.2 أمبير في STMPS2171)، تقلل الدائرة جهد محرك البوابة للحد من التيار إلى قيمة العتبة. تعمل MOSFET في وضع التيار الثابت، مما يحافظ على التيار عند القيمة الحدية بينما ينخفض جهد الخرج. إذا استمرت حالة الحد الحالي وتسبب تبديد طاقة MOSFET (VIN - VOUT) × ILIMIT في ارتفاع درجة حرارة الوصلة فوق 135 درجة مئوية، يتم تنشيط الإيقاف الحراري.

إيقاف التشغيل الحراري: يراقب المستشعر الحراري على القالب درجة حرارة الوصلة. عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة 135 درجة مئوية تقريبًا، يتم إيقاف تشغيل MOSFET تمامًا لمنع حدوث تلف. يتم تأكيد خرج FAULT على الفور (بدون طمس). عندما تنخفض درجة حرارة الوصلة إلى أقل من 125 درجة مئوية تقريبًا (تباطؤ 10 درجات مئوية)، تتم إعادة تشغيل المفتاح تلقائيًا مع تنشيط الحد الحالي، مما يسمح له بتشغيل الحمل بأمان مرة أخرى إذا تم إزالة العطل.

طمس العطل: يمنع مؤقت طمس الأعطال الذي يبلغ 10 مللي ثانية التوكيدات الكاذبة للخطأ أثناء الأحداث العابرة. عندما يتجاوز تيار الخرج الحد الحالي، يبدأ عداد داخلي. لا يتم تأكيد خرج FAULT حتى يصل العداد إلى مهلة 10 مللي ثانية. إذا تم مسح حالة التيار الزائد قبل 10 مللي ثانية (على سبيل المثال، تيار تدفق سعوي يتحلل بسرعة)، لا يتم تأكيد خرج FAULT مطلقاً. يتم طمس الأعطال الحدية الحالية فقط؛ أعطال الإيقاف الحراري وأعطال UVLO تؤكد FAULT على الفور دون طمس.

حجب التيار العكسي: عندما يكون المفتاح في وضع إيقاف التشغيل (EN = منخفض أو UVLO نشط)، فإن الصمام الثنائي لجسم MOSFET ذو القناة N عادةً ما يوصل التيار من VOUT إلى VIN (الاتجاه العكسي). يتضمن STMPS2171 دائرة تفصل مسار الصمام الثنائي للجسم عند إيقاف تشغيل المفتاح، مما يمنع أي تدفق تيار عكسي. عندما يكون الجهاز غير مزود بالطاقة (VIN = 0 فولت)، يقدم المفتاح مقاومة عالية عند دبوس الخرج.

خرج FAULT: دبوس FAULT عبارة عن خرج MOSFET مفتوح التصريف بقناة N مفتوح القناة يسحب منخفضًا عند اكتشاف عطل. يتم تأكيد خرج FAULT في الحالات التالية: التيار الزائد (بعد 10 مللي ثانية من الطمس)، والإيقاف الحراري (فوري)، وUVLO (فوري). يمكن توصيل خرج FAULT سلكيًا مع مخرجات FAULT الأخرى من مفاتيح طاقة إضافية، مما يؤدي إلى إنشاء إشارة خطأ واحدة للنظام. يلزم وجود مقاوم سحب خارجي (10-100 كيلو أوم).