STMPS2171STR

El STMPS2171STR de STMicroelectronics es un conmutador de distribución de alimentación de lado alto de un solo canal diseñado para aplicaciones en las que es probable encontrar cargas capacitivas pesadas y cortocircuitos, como la distribución de alimentación de puertos USB, fuentes de alimentación de intercambio en caliente y conmutación de cargas de uso general.

El STMPS2171 integra un conmutador de potencia MOSFET de canal N de 90 mOhmios con funciones de protección integral (sobrecorriente, apagado térmico, bloqueo por subtensión, bloqueo por corriente inversa) y una salida de informe de fallos, todo ello en un minúsculo encapsulado SOT-23 de 5 patillas. Este nivel de integración sustituye a lo que de otro modo requeriría un MOSFET discreto, un controlador de puerta, una resistencia de detección de corriente, un comparador y un circuito de protección térmica, reduciendo el número de componentes, el área de la placa de circuito impreso y la complejidad del diseño.

El STMPS2171 es la variante de corriente continua de 1 A de la familia STMPS21x1. La familia incluye cuatro miembros con diferentes valores de corriente: STMPS2141 (0,5 A), STMPS2151 (0,5 A, diferente umbral de límite de corriente), STMPS2161 (1 A, diferente umbral de límite de corriente) y STMPS2171 (1 A). Todos comparten la misma disposición de patillas y el mismo encapsulado, lo que permite distintas opciones de límite de corriente sin cambios en la placa de circuito impreso.

El conmutador MOSFET de canal N proporciona una resistencia de activación típica de 90 mOhmios (120 mOhmios como máximo), lo que se traduce en una caída de tensión de sólo 90 mV a una corriente de carga de 1 A. Esta baja caída de tensión garantiza que la carga reciba casi toda la tensión de entrada, lo que resulta crítico para aplicaciones USB en las que la tensión en el dispositivo debe permanecer por encima de 4,75 V (mínimo de la especificación USB 2.0) a partir de una fuente de 5 V.

La topología de interruptor de lado alto significa que el interruptor se coloca entre la fuente de alimentación y la carga (en el carril positivo), en lugar de en la ruta de retorno a tierra. Se trata de la topología preferida para aplicaciones USB y hot-swap, ya que desconecta completamente la carga de la alimentación cuando el interruptor está apagado, impidiendo que se cuele la corriente. El MOSFET de canal N se utiliza con una bomba de carga interna para generar la tensión de puerta por encima de la tensión de entrada, lo que garantiza que el MOSFET pueda potenciarse completamente incluso cuando VIN es igual a VOUT.

La protección contra sobrecorriente limita la corriente de salida a aproximadamente el 120 por ciento de la corriente nominal (aproximadamente 1,2 A para el STMPS2171) cuando se produce un fallo. El modo de limitación de corriente constante evita que el MOSFET resulte dañado por una corriente excesiva, mientras que el apagado térmico proporciona una capa de protección secundaria si persiste la condición de límite de corriente y la temperatura de la unión supera los 135 grados C.

La función de supresión de fallos en 10 ms es especialmente importante para las aplicaciones de intercambio en caliente. Cuando una carga con grandes condensadores de entrada se conecta a la salida, la corriente de irrupción puede superar momentáneamente el umbral de límite de corriente. Sin la supresión de fallos, esto causaría una falsa afirmación de FALLO y potencialmente apagaría el puerto. El periodo de supresión de 10 ms permite que la corriente de irrupción capacitiva se estabilice antes de que se active la salida de FALLO, evitando señales de fallo molestas durante eventos normales de intercambio en caliente.

La función de bloqueo de corriente inversa impide que la corriente fluya hacia atrás desde la salida a la entrada cuando el interruptor está desactivado (EN = LOW) o cuando el dispositivo está sin alimentación (VIN = 0 V). Esto es importante en aplicaciones alimentadas por batería, en las que la batería puede desconectarse mientras la salida sigue conectada a un dispositivo externo alimentado, o en sistemas multifuente en los que una fuente puede retroalimentarse a través del conmutador.

El reconocimiento UL (expediente E354278) es importante para los equipos que deben cumplir las normas de seguridad UL, ya que simplifica el proceso de certificación de todo el sistema.

Con un precio de $0,32 por unidad en volumen (1000+), el STMPS2171STR es uno de los conmutadores de alimentación de lado alto de 1 A más rentables del mercado, por lo que resulta práctico añadir protección y conmutación a todos los puertos USB y carriles de alimentación de un sistema.

El STMPS2171STR funciona como un conmutador de potencia MOSFET de canal N de lado alto con bomba de carga integrada, limitación de corriente, protección térmica e informe de fallos.

Conmutador MOSFET de canal N: El elemento de conmutación de potencia es un MOSFET de canal N conectado entre las patillas VIN y VOUT. Para potenciar completamente un MOSFET de canal N (encenderlo con RDS(on) mínimo), la tensión de puerta debe ser superior a la tensión de fuente en al menos la tensión umbral (VGS(th), típicamente 1-2 V) más la sobrealimentación deseada. Dado que la fuente está conectada a VIN, la puerta debe ser conducida por encima de VIN. Una bomba de carga interna genera esta tensión de accionamiento de la puerta a partir de la alimentación de entrada. La bomba de carga funciona continuamente cuando el conmutador está activado, manteniendo la tensión de puerta aproximadamente 5 V por encima de VIN para asegurar que el MOSFET está totalmente realzado. Cuando el interruptor se desactiva (EN = LOW) o durante UVLO, la bomba de carga se detiene y la puerta se tira a tierra, apagando el MOSFET.

Control de habilitación: El pin EN es una entrada lógica con umbrales compatibles CMOS y TTL. Cuando EN está ALTO (por encima de aproximadamente 1,5 V), la bomba de carga funciona y el MOSFET se enciende. Cuando EN está BAJO (por debajo de aproximadamente 0,8 V), la bomba de carga se detiene y el MOSFET se apaga. La entrada de habilitación puede ser controlada directamente por un microcontrolador GPIO o por circuitos lógicos. La corriente de espera cuando está desactivada es de sólo 12 uA como máximo.

Bloqueo por baja tensión (UVLO): El circuito UVLO controla la tensión de entrada (VIN). Cuando VIN cae por debajo del umbral UVLO (aproximadamente 2,0-2,5 V), el interruptor se apaga independientemente del estado de la entrada EN. Esto evita que el MOSFET funcione con una tensión de puerta insuficiente, lo que podría provocar que funcionara en la región lineal con un RDS(on) elevado y una disipación de potencia excesiva. El UVLO tiene histéresis (aproximadamente 100-200 mV) para evitar vibraciones cerca del umbral. La salida FAULT se activa inmediatamente cuando se activa el UVLO.

Limitación de corriente: El circuito limitador de corriente monitoriza la corriente a través del MOSFET utilizando un elemento sensor interno (una réplica a escala del MOSFET de potencia). Cuando la corriente de salida supera el umbral de limitación de corriente (aproximadamente 1,2 A para el STMPS2171), el circuito reduce la tensión de accionamiento de la puerta para limitar la corriente al valor umbral. El MOSFET funciona en el modo de corriente constante, manteniendo la corriente en el valor límite mientras cae la tensión de salida. Si la condición de límite de corriente persiste y la disipación de potencia del MOSFET (VIN - VOUT) x ILIMIT hace que la temperatura de la unión aumente por encima de 135 grados C, se activa el apagado térmico.

Apagado térmico: El sensor térmico de la matriz controla la temperatura de la unión. Cuando la temperatura de la unión excede aproximadamente 135 grados C, el MOSFET se apaga completamente para evitar daños. La salida FALLO se activa inmediatamente (sin supresión). Cuando la temperatura de la unión desciende por debajo de aproximadamente 125 grados C (histéresis de 10 grados), el interruptor se reinicia automáticamente con el límite de corriente activo, lo que le permite volver a accionar la carga de forma segura si se ha eliminado el fallo.

Supresión de fallos: El temporizador de supresión de fallos de 10 ms evita falsas afirmaciones de FALLO durante eventos transitorios. Cuando la corriente de salida excede el límite de corriente, se inicia un contador interno. La salida de FALLO no se activa hasta que el contador alcanza el tiempo de espera de 10 ms. Si la condición de sobrecorriente desaparece antes de 10 ms (por ejemplo, corriente de irrupción capacitiva que decae rápidamente), la salida FALLO nunca se activa. Sólo se borran los fallos de límite de corriente; los fallos de desconexión térmica y UVLO activan FAULT inmediatamente sin borrado.

Bloqueo de corriente inversa: Cuando el interruptor está en OFF (EN = LOW o UVLO activo), el diodo de cuerpo del MOSFET de canal N normalmente conduciría corriente de VOUT a VIN (dirección inversa). El STMPS2171 incluye un circuito que desconecta la ruta del diodo del cuerpo cuando el interruptor está apagado, evitando cualquier flujo de corriente inversa. Cuando el dispositivo está sin alimentación (VIN = 0 V), el interruptor presenta una alta impedancia en el pin de salida.

Salida FAULT: El pin FAULT es una salida MOSFET de canal N de drenaje abierto que se pone en BAJO cuando se detecta un fallo. La salida FAULT se activa en las siguientes condiciones: sobrecorriente (después de 10 ms de supresión), apagado térmico (inmediato) y UVLO (inmediato). La salida FAULT puede conectarse con otras salidas FAULT de interruptores de potencia adicionales, creando una única señal de fallo para el sistema. Se requiere una resistencia externa de pull-up (10-100 kOhm).