TPS25984Bx：高性能集成熱插拔 eFuse 助力電源保護(hù)與管理

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源保護(hù)和管理至關(guān)重要。今天，我們來深入探討德州儀器（TI）的 TPS25984Bx 系列產(chǎn)品，這是一款高電流、可堆疊的集成熱插拔保護(hù)（eFuse）設(shè)備，在小封裝內(nèi)提供了強(qiáng)大的功能和可靠的保護(hù)。

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一、產(chǎn)品概述

TPS25984Bx 工作在 4.5V - 16V 的輸入電壓范圍內(nèi)，絕對(duì)最大電壓可達(dá) 20V DC 和 23.5V 瞬態(tài)，還能承受高達(dá) -1V 的負(fù)輸出電壓。它集成了超低 (R_{DSON})（典型值 0.8mΩ）的 FET，額定 RMS 電流為 55A，峰值電流可達(dá) 70A。此外，該設(shè)備支持多個(gè) eFuse 并聯(lián)以提供更高的電流，在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)電流平衡，具備強(qiáng)大的過流、短路和過壓保護(hù)功能，還能精確監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。

二、主要特性

1. 寬輸入電壓范圍與高耐壓能力

輸入工作電壓范圍為 4.5V - 16V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。絕對(duì)最大電壓和瞬態(tài)電壓的高指標(biāo)，以及對(duì)負(fù)輸出電壓的承受能力，增加了設(shè)備在復(fù)雜電源條件下的可靠性。

2. 超低導(dǎo)通電阻與高電流能力

集成的 FET 具有超低 (R_{DSON})，典型值為 0.8mΩ，降低了功率損耗。額定 RMS 電流 55A 和峰值電流 70A，滿足高功率應(yīng)用的需求。

3. 多 eFuse 并聯(lián)支持

多個(gè) TPS25984Bx 可并聯(lián)使用，在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)電流平衡，避免部分設(shè)備過載，提高系統(tǒng)的整體電流容量和可靠性。

4. 全面的保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：過流閾值（IOCP）可在 10A - 80A 之間調(diào)節(jié)，精度為 ±5%。內(nèi)部瞬態(tài)過流消隱定時(shí)器允許系統(tǒng)支持負(fù)載電流的瞬態(tài)峰值，避免誤觸發(fā)。
• 短路保護(hù)：對(duì)輸出短路事件的快速跳閘響應(yīng)（<200ns），有可調(diào)（(2 ×I_{OCP})）和固定閾值，且不受電源線路瞬變影響，防止誤跳閘。
• 過壓保護(hù)：固定 18.4V 過壓保護(hù)閾值，快速響應(yīng)輸入過壓情況。
• 過熱保護(hù)：具備過熱保護(hù)（OTP）功能，當(dāng)結(jié)溫過高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉 FET，保護(hù)設(shè)備安全。

5. 精確的電流監(jiān)測(cè)

模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)精度為 ±1.4%，帶寬 >500kHz，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，為系統(tǒng)的電源管理提供重要數(shù)據(jù)。

6. 其他特性

• 可調(diào)輸出壓擺率控制（dVdt），用于抑制浪涌電流。
• 具有可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）的高電平使能輸入。
• 集成 FET 健康監(jiān)測(cè)和報(bào)告功能。
• 提供模擬管芯溫度監(jiān)測(cè)輸出（TEMP）、專用故障指示引腳（GOK/FLT）和電源良好指示引腳（PG）。

三、引腳配置與功能

TPS25984Bx 采用 QFN - 32 封裝，各引腳功能明確：

• OUT 引腳：電源輸出，需均勻焊接到輸出電源平面，確保良好的散熱和電流分布。
• D_OC 引腳：開漏信號(hào)，指示過流事件。
• EN/UVLO 引腳：高電平使能輸入，可通過電阻分壓器設(shè)置欠壓閾值。
• GOK/FLT 引腳：開漏低電平故障指示，也可用于并聯(lián)設(shè)備間的故障同步。
• PG 引腳：開漏高電平電源良好指示，建議外部上拉到邏輯電平電源。
• TEMP 引腳：模擬管芯溫度監(jiān)測(cè)輸出，可多個(gè)設(shè)備并聯(lián)使用以指示鏈中最高溫度。
• DVDT 引腳：?jiǎn)?dòng)輸出壓擺率控制引腳，連接電容可減慢壓擺率，控制浪涌電流。
• ILIM 引腳：設(shè)置啟動(dòng)時(shí)的電流限制閾值和穩(wěn)態(tài)時(shí)的斷路器及快速跳閘閾值，也可作為模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)。
• IREF 引腳：過流和短路保護(hù)塊的參考電壓，可通過內(nèi)部電流源和電阻或外部電壓源驅(qū)動(dòng)。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS25984Bx 適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括：

• 服務(wù)器和高性能計(jì)算：保護(hù)服務(wù)器電源輸入，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
• 網(wǎng)絡(luò)接口卡：防止過流、短路等故障對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備造成損壞。
• 圖形和硬件加速卡：為高功率顯卡和加速卡提供可靠的電源保護(hù)。
• 數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和路由器：保障數(shù)據(jù)中心設(shè)備的電源安全。
• 風(fēng)扇托盤：保護(hù)風(fēng)扇電源，延長(zhǎng)風(fēng)扇使用壽命。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)示例

以 12V、3.3kW 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源路徑保護(hù)為例，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)步驟：

1. 確定并聯(lián) eFuse 數(shù)量

根據(jù)最大穩(wěn)態(tài)直流負(fù)載電流和單個(gè) eFuse 的額定電流，計(jì)算所需并聯(lián)的 eFuse 數(shù)量。在本示例中，最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流為 275A，單個(gè) TPS25984Bx 在 70°C 環(huán)境下的最大穩(wěn)態(tài)直流電流為 55A，因此需要 6 個(gè) eFuse 并聯(lián)。

2. 選擇 (C_{DVDT}) 電容

為控制輸出壓擺率和啟動(dòng)時(shí)間，需根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和啟動(dòng)時(shí)間要求選擇合適的 (C{DVDT}) 電容。通過計(jì)算平均浪涌功率損耗，確保系統(tǒng)滿足啟動(dòng)條件，并根據(jù)公式計(jì)算 (C{DVDT}) 值。在本示例中，計(jì)算得到 (C_{DVDT}) 為 258nF，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值 250nF。

3. 選擇 (R_{IREF}) 電阻

設(shè)置過流保護(hù)的參考電壓，通過 (R{IREF}) 電阻與內(nèi)部電流源相互作用產(chǎn)生參考電壓。在本示例中，將 (V{IREF}) 設(shè)置為 1.62V，計(jì)算得到 (R_{IREF}) 為 27kΩ。

4. 選擇 (R_{IMON}) 電阻

用于監(jiān)測(cè)每個(gè) eFuse 的電流，根據(jù)電流監(jiān)測(cè)增益和系統(tǒng)要求選擇合適的 (R_{IMON}) 電阻。

5. 選擇 (R_{ILIM}) 電阻

設(shè)置穩(wěn)態(tài)和啟動(dòng)時(shí)的過流（斷路器）和快速跳閘閾值。在本示例中，將 (I{OCP}) 設(shè)置為 480A，計(jì)算得到 (R{ILIM}) 為 2kΩ。

6. 選擇電阻設(shè)置欠壓鎖定閾值

通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）閾值，選擇合適的電阻值并添加電容進(jìn)行降噪。

7. 選擇上拉電阻和電源

GOK/FLT 和 PG 引腳為開漏輸出，需通過上拉電阻連接到合適的電壓。

8. 選擇 TVS 二極管和肖特基二極管

為防止輸入和輸出的電壓瞬變，選擇合適的 TVS 二極管和肖特基二極管。TVS 二極管用于鉗位輸入正瞬態(tài)電壓，肖特基二極管用于吸收輸出負(fù)尖峰。

9. 選擇 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 電容

添加陶瓷旁路電容穩(wěn)定輸入和輸出電壓，建議 (C{IN}) 為 0.1μF，(C{OUT}) 為 2.2μF。

六、布局建議

• 在 IN 端子和 GND 端子之間添加 0.1 μF 或更大的陶瓷去耦電容，OUT 端子和 GND 端子之間添加 2.2 μF 或更大的陶瓷去耦電容，且去耦電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的 IN 和 GND 端子。
• 高電流承載的電源路徑連接應(yīng)盡可能短，并能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND 端子應(yīng)連接到 PCB 接地平面，IN 和 OUT 引腳用于散熱，應(yīng)連接盡可能多的銅面積并使用熱過孔。
• 支持組件（如 (R{ILIM})、(R{IMON})、(R{IREF})、(C{dVdt}) 等）應(yīng)靠近其連接引腳，并將另一端連接到設(shè)備的 GND 引腳，且走線應(yīng)盡可能短，避免與開關(guān)信號(hào)耦合。
• 保護(hù)設(shè)備（如 TVS、肖特基二極管等）應(yīng)靠近被保護(hù)設(shè)備，并使用短走線以減少電感。

七、總結(jié)

TPS25984Bx 是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的集成熱插拔 eFuse 設(shè)備，為電子設(shè)備的電源保護(hù)和管理提供了全面的解決方案。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，它能有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，適用于多種高功率應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的參數(shù)和組件，確保系統(tǒng)的性能和安全性。你在使用 TPS25984Bx 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。