TPS25985x：高效集成的高電流eFuse解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高電流電路的保護(hù)和管理一直是一個(gè)關(guān)鍵問題。德州儀器（TI）的TPS25985x系列產(chǎn)品為這一問題提供了出色的解決方案。本文將深入探討TPS25985x的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

文件下載：tps25985.pdf

一、TPS25985x的特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍與高耐壓能力

TPS25985x的輸入工作電壓范圍為4.5 V至16 V，絕對(duì)最大電壓可達(dá)20 V，其輸出端還能承受高達(dá) -1 V的負(fù)電壓。這使得它在多種電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了廣泛的適用性。

2. 低導(dǎo)通電阻與高電流承載能力

該器件集成了低導(dǎo)通電阻（典型值為0.59 mΩ）的FET，額定RMS電流為60 A，峰值電流可達(dá)80 A。這種低電阻特性有助于降低功率損耗，提高系統(tǒng)效率，同時(shí)高電流承載能力使其能夠滿足高功率應(yīng)用的需求。

3. 可擴(kuò)展性與電流共享

支持多個(gè)eFuse并聯(lián)連接，以提供更高的電流支持。在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)期間，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)的狀態(tài)同步和負(fù)載共享，確保電流均勻分配，避免部分設(shè)備過載，從而提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。

4. 全面的保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：過流閾值（IOCP）可在10 A至60 A之間調(diào)節(jié)，精度高達(dá)±6%（最大）。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電路斷路器響應(yīng)機(jī)制配合可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)消隱定時(shí)器（ITIMER），能夠支持高達(dá) (2 ×I{OCP}) 的峰值電流。啟動(dòng)期間還具備可調(diào)節(jié)的有源電流限制（ (I{LIM }) ）。
• 短路保護(hù)：對(duì)輸出短路事件具有快速跳閘響應(yīng)（< 200 ns），并提供可調(diào)節(jié)（ (2 ×I_{OCP}) ）和固定閾值，同時(shí)對(duì)電源線瞬態(tài)具有免疫能力，避免誤跳閘。
• 過壓保護(hù)：具備快速過壓保護(hù)功能，固定閾值為16.6 V，可有效保護(hù)負(fù)載免受輸入過壓的影響。
• 浪涌電流保護(hù)：通過可調(diào)節(jié)的輸出壓擺率控制（dVdt），能夠有效管理浪涌電流，保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌沖擊。
• 過溫保護(hù)：具備過溫保護(hù)（OTP）功能，確保FET在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)運(yùn)行，保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。

5. 精確的電流監(jiān)測(cè)

集成了高精度、高帶寬的模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)功能，精度可達(dá)±1.4%，帶寬 > 500 kHz。這使得系統(tǒng)能夠精確監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的動(dòng)態(tài)平臺(tái)電源管理技術(shù)（如Intel? PSYS或PROCHOT#）提供了可能，從而最大限度地提高系統(tǒng)的功率利用率和吞吐量。

6. 豐富的狀態(tài)指示與監(jiān)測(cè)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（FLT）和電源良好指示引腳（PG），方便用戶實(shí)時(shí)了解設(shè)備的工作狀態(tài)。此外，還具備未使用的通用快速比較器，為用戶提供了額外的設(shè)計(jì)靈活性。

7. 小尺寸封裝

采用QFN 4.5-mm × 5-mm、0.6-mm間距的小尺寸封裝，同時(shí)電源和GND引腳之間有29-mil的間隙，符合100%無鉛標(biāo)準(zhǔn)，有助于節(jié)省電路板空間，滿足小型化設(shè)計(jì)的需求。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

TPS25985x適用于多種需要高電流保護(hù)和管理的應(yīng)用場(chǎng)景，常見的包括：

• 輸入熱插拔和熱插拔應(yīng)用：在服務(wù)器和高性能計(jì)算領(lǐng)域，可用于保護(hù)電源導(dǎo)軌，確保設(shè)備在熱插拔過程中的安全性和穩(wěn)定性。
• 網(wǎng)絡(luò)接口卡、圖形和硬件加速卡：為這些對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備提供可靠的過流、短路和過壓保護(hù)。
• 數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和路由器：保障設(shè)備在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電源安全，提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。
• 風(fēng)扇托盤：為風(fēng)扇提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，同時(shí)保護(hù)電路免受異常電流和電壓的影響。

三、詳細(xì)工作原理

1. 啟動(dòng)過程

TPS25985x在啟動(dòng)時(shí)，首先監(jiān)測(cè)VDD和IN總線。當(dāng) (V_{DD}) 和 (VIN) 超過各自的欠壓保護(hù)（UVP）閾值后，設(shè)備會(huì)等待插入延遲定時(shí)器到期，以確保電源穩(wěn)定。之后，采樣EN/UVLO引腳和SWEN引腳，當(dāng)這兩個(gè)引腳都為高電平時(shí)，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通，允許電流從IN流向OUT；反之，內(nèi)部MOSFET關(guān)閉。

2. 運(yùn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)

啟動(dòng)成功后，設(shè)備會(huì)主動(dòng)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流和輸入電壓，并控制內(nèi)部FET，確保不超過編程的過流閾值，同時(shí)切斷輸入過壓尖峰。用戶可調(diào)節(jié)的過流消隱定時(shí)器允許系統(tǒng)通過負(fù)載電流曲線中的瞬態(tài)峰值而不觸發(fā)eFuse，同時(shí)智能屏蔽電源線上的電壓瞬變，防止誤跳閘，確保系統(tǒng)的最大正常運(yùn)行時(shí)間。

3. 電流監(jiān)測(cè)與管理

集成的高精度、高帶寬模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)功能，使系統(tǒng)能夠在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)期間精確監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。這有助于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的動(dòng)態(tài)平臺(tái)電源管理技術(shù)，如根據(jù)負(fù)載電流調(diào)整系統(tǒng)功率分配，提高系統(tǒng)的效率和性能。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 單設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行

在單設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行模式下，將MODE引腳留空以配置為獨(dú)立運(yùn)行。用戶可以根據(jù)需要將IREF引腳連接到外部參考電壓源，或在主機(jī)MCU控制系統(tǒng)中，將EN/UVLO連接到GPIO引腳以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，通過ADC監(jiān)測(cè)IMON引腳電壓，并使用DAC動(dòng)態(tài)改變IREF以調(diào)整電流限制閾值。此外，還可以將ILIM和IMON引腳接地，將該設(shè)備用作簡(jiǎn)單的高電流負(fù)載開關(guān)，此時(shí)浪涌電流保護(hù)、固定快速跳閘和內(nèi)部固定過流保護(hù)仍然有效。

2. 多設(shè)備并聯(lián)連接

對(duì)于需要更高電流能力的應(yīng)用，可以將多個(gè)TPS25985x設(shè)備并聯(lián)連接。在這種配置中，一個(gè)設(shè)備作為主設(shè)備，控制其他從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備的連接方式有特定要求，例如主設(shè)備的MODE引腳留空，從設(shè)備的MODE引腳接地；所有設(shè)備的IN、OUT、EN/UVLO、DVDT、SWEN、PG、IMON和IREF引腳必須連接在一起。通過這種方式，設(shè)備能夠在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)期間實(shí)現(xiàn)電流共享，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與選擇

• 輸出壓擺率控制（dVdt）：通過在DVDT引腳添加電容來控制輸出壓擺率，從而降低啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。所需的CdVdt電容值可以根據(jù)公式 (C_{DVDT}(pF)={frac {42000}{SR(V/ms)}}) 計(jì)算，其中SR為所需的壓擺率。
• 過流保護(hù)閾值：穩(wěn)態(tài)過流保護(hù)閾值（ (I{O C P}) ）可以通過公式 (I{O C P}=frac{V{I R E F}}{G{I M O N} × R{I M O N}}) 計(jì)算，其中 (V{I R E F}) 為參考電壓， (G{I M O N}) 為電流監(jiān)測(cè)增益， (R{I M O N}) 為IMON引腳電阻。
• 啟動(dòng)電流限制：?jiǎn)?dòng)期間的有源電流限制閾值（ (I{L I M}) ）可以通過公式 (I{L I M}=frac{C L R E F{S A T}}{G{L L I M} × R{I L I M}}) 計(jì)算，其中 (C L R E F{S A T}) 為參考電壓的縮放值， (G{L L I M}) 為電流監(jiān)測(cè)增益， (R{I L I M}) 為ILIM引腳電阻。

4. 布局建議

在PCB布局時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

• 在IN和GND端子之間添加0.1 μF或更大的陶瓷去耦電容，在OUT和GND端子之間添加2.2 μF或更大的陶瓷去耦電容，并將其放置在離設(shè)備最近的位置，以減少寄生效應(yīng)。
• 高電流承載的電源路徑連接應(yīng)盡可能短，并確保能夠承載至少兩倍的滿載電流。
• GND端子應(yīng)在IC端子處連接到PCB接地平面，PCB接地應(yīng)為銅平面或島上的銅區(qū)域。
• IN和OUT引腳用于散熱，應(yīng)通過熱過孔連接盡可能多的銅面積。
• 將支持組件（如RILIM、RIMON、CIMON等）靠近其連接引腳放置，并將組件的另一端以最短的走線長度連接到設(shè)備的GND引腳，以減少對(duì)電流限制、過流消隱間隔和軟啟動(dòng)定時(shí)的寄生影響。

五、總結(jié)

TPS25985x以其豐富的功能、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的高電流電路保護(hù)和管理解決方案。無論是在單設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行還是多設(shè)備并聯(lián)連接的情況下，都能有效地保護(hù)電路免受各種異常情況的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的電流監(jiān)測(cè)和管理。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和配置相關(guān)參數(shù)，并遵循布局建議，以充分發(fā)揮TPS25985x的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高效、可靠的電子系統(tǒng)。你在使用TPS25985x的過程中遇到過哪些問題？或者你對(duì)它的哪些特性最感興趣呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。