회사 블로그 TI TPS2553 2.5V ~ 6.5V 85mΩ 정밀 조절 전류 제한 USB 전력 분배 스위치

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd.는 TI TPS2553 2.5V ~ 6.5V 85mΩ 고정밀 가변 전류 제한 USB 전력 분배 스위치를 공급합니다.

I. TPS2553 개요
TPS2553은 TI의 고측 N채널 MOSFET 기반, 고정밀, 가변 전류 제한 전력 분배 스위치입니다. USB 포트 전원 공급, 고용량 부하 및 단락 보호 애플리케이션을 위해 특별히 설계되었습니다. Enable 핀은 활성-고(active-high)이며, 역방지 기능이 내장되어 있습니다. 2.5V ~ 6.5V의 전압 범위에서 작동하며, 일반적인 온저항은 85mΩ입니다. USB 허브 및 임베디드 장치의 전력 채널 관리를 위한 고전적인 로드 스위치 솔루션입니다.

TPS2553은 ILIM 핀에 연결된 단일 외부 저항을 통해 프로그래밍 가능한 전류 제한 임계값을 제공하며, 일반적인 전류 제한 범위는 75mA ~ 1.7A이고 최대 연속 부하 용량은 1.5A입니다. 고전류 모드에서는 전류 제한 정확도가 ±6%에 달하여 포트 전류 제한에 대한 USB 전력 사양의 엄격한 요구 사항을 충족합니다. 또한 소프트 스타트, 과전류, 과열 및 역전압 보호 기능과 전원 공급 이상을 신속하게 알리는 FAULT 출력을 통합하고 있습니다.

II. TPS2553의 핵심 전기 파라미터 분석
1. 입력 전압 VIN: 2.5V ~ 6.5V
USB 5V 전원 공급 시스템을 포함하며 3.3V 보조 전원 공급 장치와 호환되어 임베디드 마더보드, 셋톱 박스, 산업용 주변 장치 및 디지털 TV와 같은 비 5V 전원 도메인에서 포트 전력 분배에 적합합니다.
2. 온저항 Rds(on): 일반 85mΩ (DBV 패키지)
85mΩ의 낮은 온저항으로 1A 출력 전류에서 채널 전압 강하는 약 85mV에 불과하여 0.085W의 전력 손실과 최소한의 온도 상승을 유발하므로 부하 상태에서 장시간 작동에 적합합니다. 낮은 내부 저항은 USB 포트의 전압 강하를 줄여 주변 장치에 안정적인 공급 전압을 보장합니다.
3. 가변 전류 제한 범위: 75mA ~ 1,700mA (일반)
전류 제한 지점은 ILIM 핀에 연결된 외부 정밀 저항(RILIM)을 통해 설정됩니다. 1% 정밀 금속 필름 저항으로 고정밀 전류 제한을 달성할 수 있습니다. 전류 제한 정확도는 1.7A 설정에서 일반적으로 ±6%, 1A 설정에서 ±7.5%입니다. 표준 USB 스위치와 비교하여 고정 전류 제한을 제공하는 이 장치는 유연한 전류 제한 설정을 제공하여 다양한 USB 2.0 및 USB 3.x 포트의 전력 사양에 따라 임계값을 사용자 정의할 수 있습니다.
4. 스위칭 특성
내장된 차지 펌프가 N-MOSFET을 구동하며, 상승 및 하강 에지가 제어됩니다. 소프트 스타트 기능은 전원 켜기 시 돌입 전류를 억제하여 고용량 출력 부하에 적합합니다. 과전류 응답은 일반적으로 2μs이며, 단락 발생 시 장치는 신속하게 정전류 제한 모드로 진입하여 상위 전원 공급 장치의 고장을 방지합니다.
5. 온도 범위: –40°C ~ +125°C
넓은 온도 범위로 소비자 전자 제품 및 산업 장비 모두에 적합합니다. TPS2553-Q1 버전은 자동차 등급이며 차량 내 USB 애플리케이션용으로 설계되었습니다.

III. TPS2553의 내부 아키텍처 및 작동 원리
TPS2553은 차지 펌프, 고측 N-MOS 전력 트랜지스터, 전류 감지 루프, ILIM 전류 제한 레퍼런스, FAULT 비교기, 열 보호 모듈 및 FAULT 개방형 드레인 출력을 통합합니다.

1. 정상 온 상태 모드
EN 핀이 높은 레벨일 때, 칩의 내부 차지 펌프가 MOSFET 게이트 전압을 높입니다. N-MOSFET이 완전히 켜져 VIN이 VOUT으로 직접 통과하도록 합니다. 전류는 전력 트랜지스터를 통해 부하에 공급됩니다. 이때 장치는 85mΩ의 온 상태 손실만 발생합니다.
2. 정전류 제한 작동 메커니즘 (TPS2553)
부하 전류가 RILIM 설정 임계값을 초과하면, 내부 전류 루프가 MOSFET 게이트 전압을 낮추어 전력 MOSFET이 선형 영역으로 진입하고 일정한 출력 전류를 유지합니다. 즉시 꺼지지 않습니다. FAULT 핀이 낮아져 경보를 트리거합니다. 장시간 정전류 작동 중에는 칩의 전력 소모가 지속적으로 누적됩니다. 접합 온도가 열 차단 임계값(일반적으로 135°C)을 초과하면 장치가 차단되고, 히스테리시스 창 내에서 온도가 약 10°C 떨어지면 자동으로 전원 공급을 재개하려고 시도합니다.
3. 역전압 보호 (역방지)
내장된 역전압 비교기는 VOUT 전압이 VIN을 초과할 때(예: USB 주변 장치에서 역전류 역류) 칩이 즉시 전력 트랜지스터를 차단하여 전류가 출력에서 입력으로 역류하는 것을 방지하고 상위 호스트 전원 공급 장치를 보호하도록 합니다. 이는 USB 포트에 중요한 보호 기능으로, 핫스왑 중 역전류 역류로 인한 호스트 전원 도메인 손상을 방지합니다.
4. 과열 보호 (OTP)
칩의 접합 온도가 실시간으로 모니터링됩니다. 온도가 임계값을 초과하면 전력 스위치가 즉시 차단됩니다. 회로는 온/오프 상태 간의 빈번한 진동을 방지하기 위해 열 히스테리시스를 갖습니다.

IV. TPS2553 핀 기능 (DBV SOT23-6 패키지) 간략 설명
- VIN: 전원 공급 입력
- VOUT: 전원 공급 출력; USB 포트 및 출력 커패시터에 연결
- EN: Enable; 높은 레벨이 전력 채널을 활성화
- ILIM: 전류 제한 프로그래밍 핀; 접지에 연결된 외부 저항이 전류 제한 임계값을 설정
- FAULT: 개방형 드레인 고장 출력; 과전류, 역전압 또는 과열 시 낮아짐; 풀업 저항 필요
- GND: 신호 및 전력 접지

전류 제한 계산 로직: ILIM 핀은 기준 전압을 출력합니다. RILIM을 통해 흐르는 전류는 내부 루프에 피드백됩니다. 전류 제한 임계값은 RILIM의 저항 값에 반비례합니다. RILIM 값이 높을수록 전류 제한이 낮아지고, RILIM 값이 낮을수록 전류 제한이 높아집니다. 회로 설계 시 이 애플리케이션에 1% 정밀 저항을 선택하십시오.

V. TPS2553 보호 메커니즘 요약
1. 프로그래밍 가능한 정전류 제한 보호: 과부하 또는 단락 조건에서 출력 전류를 제한하여 호스트 전원 공급 장치를 보호합니다. TPS2553은 일정한 전류를 유지하는 반면, TPS2553-1은 차단됩니다.
2. 역전압 차단 보호: 출력 전압이 입력 전압을 초과하면 차단하여 역전류 흐름을 방지합니다.
3. 열 차단 보호 (OTP): 접합 온도가 임계값을 초과하면 차단되며, 온도 히스테리시스가 있습니다.
4. 소프트 스타트: 대용량 커패시터 부하의 돌입 전류를 억제하고 입력 전압 강하를 줄이기 위한 제어 가능한 전원 켜기 슬로프.
5. FAULT 표시: 개방형 드레인 출력; MCU는 고장 상태를 감지하고 시스템에 보고할 수 있습니다.

VI. TPS2553의 일반적인 애플리케이션 시나리오
- USB 허브, USB-A 호스트 포트 전원 공급 스위치 (가장 일반적인 애플리케이션, USB 포트 전류 제한 사양 준수)
- 셋톱 박스, 디지털 TV 및 VOIP 전화 주변 장치의 전원 공급 채널
- 임베디드 마더보드의 플러그형 주변 장치 전원 제어
- 산업 자동화 장비의 핫스왑 모듈 전원 공급 장치
- 휴대용 장치의 외부 인터페이스 전원 보호

확장 애플리케이션: 휴머노이드 로봇 주변 장치의 USB 인터페이스에 대한 전력 분배에 사용될 수 있으며, 로봇 손 및 센싱 모듈과 같은 USB 주변 장치에 대한 핫스왑, 단락 및 과전류 보호를 제공하는 동시에 주변 장치 전원 공급 경로의 안정적인 제어를 보장합니다.

VII. TPS2553 설계 주요 포인트 및 PCB 고려 사항
1. RILIM 저항 선택: 전류 제한 정확도를 보장하기 위해 1% 정밀 금속 필름 저항을 우선적으로 선택하십시오. 트레이스 간섭을 최소화하기 위해 저항을 ILIM 핀 가까이에 배치하십시오.
2. 커패시터 레이아웃: 0.1μF 세라믹 디커플링 커패시터를 VIN 핀 가까이에 배치하십시오. 출력 커패시터는 VOUT 단자에 배치하십시오. 더 높은 커패시턴스는 더 큰 돌입 전류를 유발하므로 소프트 스타트 고려 사항과 함께 평가해야 합니다.
3. 전력 접지 처리: VIN/VOUT 고전류 경로는 짧고 넓게 유지하십시오. 접지 바운스 노이즈가 전류 샘플링 정확도에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 전력 접지를 신호 접지와 단일 지점에서 연결하십시오.
4. FAULT 핀: 개방형 드레인 출력입니다. 3.3V/5V로의 외부 풀업 저항을 연결하여 MCU I/O에 직접 연결하여 고장 인터럽트 감지를 활성화해야 합니다.
5. 열 고려 사항: 지속적인 고전류 작동 중에는 85mΩ 온저항으로 인해 전력 손실이 낮지만, 열 방출을 개선하고 열 차단을 방지하기 위해 충분한 PCB 구리 면적을 제공해야 합니다.

VIII. TPS2553의 장점 및 한계
장점
1. 단일 저항 구성으로 고정밀 가변 전류 제한, 다양한 USB 포트 전력 수준에 유연하게 적용 가능;
2. 85mΩ의 낮은 온저항으로 낮은 전압 강하 및 높은 전원 공급 효율;
3. 통합 역방지 기능으로 추가 외부 다이오드 불필요, BOM 간소화;
4. 정전류 모드는 즉각적인 차단 없이 장시간 단락 테스트에 적합하며, 고장 신호 피드백 포함;
5. 2.5V 저전압 입력 기능으로 3.3V 시스템 전원 도메인에 대한 전력 분배 지원.

한계
1. TPS2553은 정전류 모드로 작동합니다. 지속적인 단락은 지속적인 발열을 유발하며, 열 차단 보호에 의존합니다.
2. 최대 연속 전류 1.5A; 1.5A를 초과하는 고전력 USB PD 포트에는 적합하지 않음;
3. 고측 N-MOS 아키텍처는 통합 차지 펌프를 필요로 하여 약간의 대기 전류가 발생합니다. 초저전력 절전 시나리오에서는 대기 전력 소비를 평가해야 합니다.

IX. 요약
TPS2553은 USB 포트를 위해 설계된 고성능, 고정밀, 가변 전류 제한 전력 분배 스위치로, 2.5V ~ 6.5V의 넓은 입력 전압 범위, 85mΩ의 낮은 온저항, 75mA ~ 1.7A의 프로그래밍 가능한 전류 제한을 특징으로 합니다. 과전류, 역전압, 과열 및 소프트 스타트에 대한 포괄적인 보호 기능과 FAULT 경보 출력과 결합된 간소화된 BOM과 높은 신뢰성은 USB 호스트, 허브 및 임베디드 주변 장치 인터페이스의 전력 보호를 위한 선호되는 솔루션입니다.