TPS1641x：40V、1.8A 電源和電流限制 eFuse 深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理和電路保護(hù)至關(guān)重要。TPS1641x 作為一款集成 eFuse 設(shè)備，在電源和電流限制方面表現(xiàn)出色，為各類電子設(shè)備提供了可靠的保護(hù)和精確的控制。本文將對 TPS1641x 進(jìn)行全面深入的剖析，涵蓋其特性、應(yīng)用、詳細(xì)描述、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面，希望能為電子工程師們在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價值的參考。

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1. 特性亮點(diǎn)

1.1 寬電壓范圍與低導(dǎo)通電阻

• 電壓范圍：TPS1641x 具有不同的工作電壓范圍。功率限制設(shè)備的輸入電壓范圍為 4.5V 至 40V，電流限制設(shè)備為 2.7V 至 40V，并且輸出端能夠承受高達(dá) -1V 的負(fù)電壓。
• 低導(dǎo)通電阻：典型導(dǎo)通電阻 (R_{ON}=152 mΩ)，這有助于降低功耗，提高效率。

1.2 精確的功率和電流限制

• 功率限制：提供 2W 至 64W 的功率限制，在 15W 時功率限制精度可達(dá) ±5%（功率限制設(shè)備）。
• 電流限制：電流限制范圍為 0.03A 至 1.8A，在 1A 時電流限制精度可達(dá) ±6%（電流限制設(shè)備）。

1.3 全面的保護(hù)功能

• 短路檢測：具備 IN 到 OUT 短路檢測功能，并通過 FLT 引腳進(jìn)行指示，可用于診斷和驅(qū)動外部 PFET。
• 過壓保護(hù)：可配置過壓保護(hù)，最高可通過外部 FET 實(shí)現(xiàn) 60V 的過壓保護(hù)。
• 過流保護(hù)：可配置過流保護(hù)（(I_{OCP})），還能設(shè)置瞬態(tài)電流的消隱時間。
• 過溫保護(hù)：具有過溫保護(hù)（OTP）和熱關(guān)斷功能。

1.4 其他特性

• 輸出擺率控制：可調(diào)節(jié)輸出擺率（dVdt），有效保護(hù)設(shè)備免受浪涌電流的影響。
• 使能和關(guān)斷控制：方便控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。
• 輸出負(fù)載電流監(jiān)測：通過 IOCP 引腳可監(jiān)測輸出負(fù)載電流。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

TPS1641x 的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了家電、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制等多個領(lǐng)域，具體包括：

• 家電領(lǐng)域：如冰箱、冰柜、烤箱、洗碗機(jī)等。
• 工業(yè)控制：HVAC 閥門和執(zhí)行器控制。
• 醫(yī)療設(shè)備：呼吸機(jī)、麻醉輸送系統(tǒng)等。

3. 詳細(xì)描述

3.1 器件概述

TPS1641x 是一款集成 eFuse，集成了一個 (R_{ON}) 為 152mΩ 的 NFET。其中，TPS16410、TPS16411、TPS16414 和 TPS16415 提供功率限制功能，TPS16412、TPS16413、TPS16416 和 TPS16417 提供電流限制功能。部分型號還具備 IN 到 OUT 短路檢測功能，可滿足 IEC60335、UL60730 等標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 功能框圖

TPS1641x 的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括 IN 到 OUT 短路檢測、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、功率或電流限制、輸出擺率控制等模塊，各模塊協(xié)同工作，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 特性描述

3.3.1 使能和關(guān)斷輸入（EN/SHDN）

通過將 EN/SHDN 引腳拉低不同時長，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗關(guān)斷模式或僅關(guān)閉內(nèi)部 FET。PWM 信號可用于快速控制內(nèi)部 FET 的開關(guān)。

3.3.2 過壓保護(hù)（OVP）

通過連接電阻分壓器可配置過壓保護(hù)設(shè)定點(diǎn)。當(dāng) OVP 引腳電壓超過 (V{OVPR}) 時，內(nèi)部 FET 關(guān)閉，F(xiàn)LT 引腳置低；當(dāng)電壓低于 (V{OVPF}) 時，內(nèi)部 FET 開啟，F(xiàn)LT 引腳置高。

3.3.3 輸出擺率和浪涌電流控制（dVdt）

在熱插拔或給大電容充電時，可通過在 dVdt 引腳添加電容來控制輸出擺率，降低浪涌電流。計(jì)算公式為 (SR=frac{I{INRUSH}}{C{OUT}}) 和 (C{dVdt}=frac{I{dVdt} × G_{dVdt}}{SR})。

3.3.4 有源電流限制（ILIM）

TPS16412、TPS16413、TPS16416 和 TPS16417 可對輸出過流或過載情況進(jìn)行主動電流限制。先通過 IDLY 引腳電容配置消隱時間，消隱時間結(jié)束后將電流限制在 ILIM 值。ILIM 可通過連接電阻到 ILIM 引腳進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算公式為 (I{LIM}=frac{0.984 A}{R{ILIM}} × 10 kΩ)。

3.3.5 有源功率限制（PLIM）

TPS16410、TPS16411、TPS16414 和 TPS16415 可對輸出過流或過載情況進(jìn)行主動功率限制。先通過 PDLY 引腳電容配置消隱時間，消隱時間結(jié)束后將功率限制在 PLIM 值。PLIM 可通過連接電阻到 PLIM 引腳進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算公式為 (P{LIM}=frac{13.82 W}{95.3 kΩ} × R{PLIM})。

3.3.6 過流保護(hù)（(I_{OCP})）和消隱時間（IDLY 或 PDLY）

過流保護(hù)設(shè)定點(diǎn)可通過連接電阻到 IOCP 引腳進(jìn)行配置，計(jì)算公式為 (I{OCP}=frac{2.25 A}{R{IOCP}} × 7.32 kΩ)。消隱時間可通過連接電容到 IDLY 或 PDLY 引腳進(jìn)行配置，計(jì)算公式為 (Blanking Time (IDLY or PDLY)=frac{6.5 ms}{12 nF} × CDLY)。

3.3.7 快速跳閘和短路保護(hù)

當(dāng)檢測到輸出短路且電流達(dá)到 (I{SCP}) 水平時，設(shè)備在 (t{SCP_dly}) 延遲后關(guān)閉內(nèi)部 FET。為防止輸入瞬態(tài)導(dǎo)致的誤跳閘，設(shè)備還包含快速跳閘比較器。

3.3.8 模擬負(fù)載電流監(jiān)測（IMON）

通過 IOCP/IMON 引腳提供與 FET 電流成正比的模擬電流，可通過該引腳的電壓監(jiān)測輸出電流，計(jì)算公式為 (I{OUT}=frac{V{IOCP}-(OS{IMON} × R{IOCP})}{G{IMON} × R{IOCP}})。

3.3.9 IN 到 OUT 短路檢測

TPS16410、TPS16411、TPS16412 和 TPS16413 可檢測 IN 和 OUT 引腳之間的短路。當(dāng)檢測到電阻小于 (R_{short}) 時，F(xiàn)LT 引腳置低。

3.3.10 熱關(guān)斷和過溫保護(hù)

當(dāng)設(shè)備溫度超過 (T_{TSD}) 時，設(shè)備將關(guān)閉。部分型號在熱關(guān)斷后會保持鎖定，需通過切換 EN/SHDN 或重啟 Vcc 電源來復(fù)位。

3.3.11 故障響應(yīng)和指示（FLT）

FLT 引腳為開漏輸出，用于指示過壓、IN 到 OUT 短路、過溫、電流限制和功率限制等事件。

4. 應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

4.1 應(yīng)用信息

TPS1641x 可用于低功率電路的功率或電流限制，滿足 IEC60335 和 UL60730 標(biāo)準(zhǔn)。具備 IN 到 OUT 短路檢測功能，適用于家電、HVAC 執(zhí)行器和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

4.2 典型應(yīng)用：15W 功率限制

以 TPS16410 和 TPS16411 為例，可用于低功率電路的 15W 功率限制。設(shè)計(jì)時需設(shè)置過壓設(shè)定點(diǎn)、輸出過流設(shè)定點(diǎn)、輸出功率限制，監(jiān)測輸出電流，并控制浪涌電流和輸出擺率。

4.3 系統(tǒng)示例

在 DC/DC 或反激轉(zhuǎn)換器的輸出端，TPS1641x 可實(shí)現(xiàn)精確的功率或電流限制，并通過故障引腳提供額外保護(hù)。

4.4 最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐

• 使用 (C{IN} ≥10 nF) 對 (V{cc}) 和 IN 引腳進(jìn)行去耦。
• 避免 OVP、PLIM/ILIM 和 IOCP/IMON 引腳懸空。
• 將設(shè)備的 PowerPAD 連接到 PCB 的 GND。
• 確保 EN/SHDN 引腳電壓不超過 5V。

4.5 電源供應(yīng)建議

• TPS16410 和 TPS16411 的輸入電壓范圍為 4.5V 至 40V。
• TPS16412 和 TPS16413 的輸入電壓范圍為 2.7V 至 40V。
• (V{IN} ≤V{CC} ≤60V)，F(xiàn)LT 引腳需上拉至不超過 60V 的電壓，并使用上拉電阻使流入 FLT 引腳的電流小于 3mA。

4.6 布局設(shè)計(jì)

• 高電流功率路徑連接應(yīng)盡可能短，并能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND（PowerPAD）引腳應(yīng)通過最短的走線連接到 PCB 接地平面。
• 去耦電容應(yīng)靠近 IN 和 GND 引腳放置，減少環(huán)路面積。
• 支持組件應(yīng)靠近其連接引腳放置，減少寄生效應(yīng)。
• 保護(hù)設(shè)備應(yīng)靠近被保護(hù)設(shè)備放置，減少電感。

5. 總結(jié)

TPS1641x 是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的集成 eFuse 設(shè)備，為電子設(shè)備的電源管理和電路保護(hù)提供了全面的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理配置設(shè)備參數(shù)，遵循最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐和布局原則，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用 TPS1641x 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。