TPS25946xx eFuse：電子工程師的可靠電源保護(hù)方案

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源保護(hù)是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS25946xx 系列 eFuse 為電源保護(hù)提供了一個(gè)高度集成的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款 eFuse 的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TPS25946xx 概述

TPS25946xx 是一款 2.7 - 23V、5.5A 的 eFuse，采用 2mm × 2mm、10 引腳的 HotRod QFN 封裝，具有出色的熱性能和較小的系統(tǒng)占位面積。它能夠提供多種保護(hù)模式，使用極少的外部組件，是應(yīng)對(duì)過(guò)載、短路、電壓浪涌和過(guò)大浪涌電流的強(qiáng)大防線。其集成的背對(duì)背 FET 允許在導(dǎo)通狀態(tài)下雙向電流流動(dòng)，而在關(guān)斷狀態(tài)下則阻止兩個(gè)方向的電流流動(dòng)，非常適合 USB OTG（On - The - Go）應(yīng)用。

主要特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.7V 至 23V，絕對(duì)最大電壓為 28V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 低導(dǎo)通電阻： (R_{ON}=28.3 mΩ)（典型值），減少功率損耗。
3. 雙向電流支持：導(dǎo)通狀態(tài)下雙向電流流動(dòng)，關(guān)斷狀態(tài)下反向電流阻斷。
4. 快速過(guò)壓保護(hù)：可調(diào)過(guò)壓鎖定（OVLO），響應(yīng)時(shí)間為 1.2μs（典型值）。
5. 過(guò)流保護(hù)：正向過(guò)流保護(hù)，帶有負(fù)載電流監(jiān)測(cè)輸出（ILM），可調(diào)閾值（(I{LIM})）為 0.5A 至 6A，精度為 ±10%（(I{LIM}>1A)）。
6. 可調(diào)輸出壓擺率和浪涌電流控制：通過(guò)單個(gè)外部電容調(diào)整。
7. 過(guò)熱保護(hù)：內(nèi)置熱傳感器，超過(guò)安全溫度時(shí)自動(dòng)關(guān)斷。
8. 數(shù)字指示選項(xiàng)：電源良好指示（PG）、電源供應(yīng)良好（SPLYGD）和故障（FLT）指示。
9. 認(rèn)證：UL 2367 認(rèn)證（文件編號(hào) E339631 - (R_{ILM} ≥549Ω)），IEC 62368 - 1 CB 認(rèn)證。

二、功能詳解

1. 欠壓鎖定（UVLO 和 UVP）

TPS25946xx 在輸入電壓過(guò)低時(shí)實(shí)施欠壓保護(hù)，默認(rèn)鎖定閾值為 (V{UVP})，可通過(guò) EN/UVLO 引腳的 UVLO 比較器外部調(diào)整。使用電阻分壓器可以設(shè)置 UVLO 設(shè)定點(diǎn)，公式為 (V{IN(UV)}=frac{V_{UVLO}×(R1 + R2)}{R2})。

2. 過(guò)壓鎖定（OVLO）

用戶(hù)可以通過(guò) OVLO 引腳的比較器調(diào)整過(guò)壓保護(hù)閾值。當(dāng) OVLO 引腳電壓超過(guò)上升閾值 (V{OV(R)}) 時(shí)，設(shè)備關(guān)閉輸出電源；當(dāng)電壓降至下降閾值 (V{OV(F)}) 以下時(shí)，輸出電源重新開(kāi)啟。設(shè)置 OVLO 設(shè)定點(diǎn)的公式為 (V{IN(OV)}=frac{V{OV}×(R1 + R2)}{R2})。

3. 浪涌電流、過(guò)流和短路保護(hù)

• 可調(diào)壓擺率（dVdt）：通過(guò)連接電容到 dVdt 引腳控制浪涌電流，公式為 (SR(V/ms)=frac{I{INRUSH}(mA)}{C{OUT}(mu F)}) 和 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V/ms)})。
• 可調(diào)過(guò)流閾值（(I_{LIM})）：通過(guò) ILM 引腳電阻 (R{ILM}) 設(shè)置，公式為 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)})。
• 可調(diào)快速跳閘閾值（(I_{SC})）：等于 (2×I_{LIM})，用于應(yīng)對(duì)嚴(yán)重過(guò)流。
• 固定快速跳閘閾值（(I_{FT})）：用于穩(wěn)態(tài)下的硬輸出短路保護(hù)。

4. 模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)

ILM 引腳提供與從 IN 到 OUT 的 FET 電流成正比的模擬電流傳感輸出，用戶(hù)可以通過(guò)測(cè)量 (R{ILM}) 兩端的電壓 (V{ILM}) 來(lái)監(jiān)測(cè)輸出負(fù)載電流，公式為 (I{OUT}(A)=frac{V{ILM}(mu V)}{R{ILM}(Omega)×G{IMON}(mu A/A)})。

5. 反向電流保護(hù)

集成的背對(duì)背 MOSFET 在設(shè)備斷電或禁用狀態(tài)下，阻止正向和反向電流流動(dòng)。

6. 過(guò)熱保護(hù)（OTP）

持續(xù)監(jiān)測(cè)內(nèi)部管芯溫度 (T{J})，超過(guò)安全溫度（TSD）時(shí)關(guān)閉設(shè)備，直到溫度降至（TSD - (TSD{HYS})）以下。TPS25946xL 鎖存關(guān)閉，需電源循環(huán)或重新啟用；TPS25946xA 自動(dòng)重試。

7. 故障響應(yīng)和指示（FLT）

TPS259461x 變體提供一個(gè)低電平有效的外部故障指示（FLT）引腳，總結(jié)了設(shè)備對(duì)各種故障條件的響應(yīng)。

8. 電源良好指示（PG）

TPS259460x 變體提供一個(gè)高電平有效的數(shù)字輸出（PG），作為電源良好指示信號(hào)，根據(jù) PGTH 引腳電壓和設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行斷言。

9. 輸入電源良好指示（SPLYGD）

TPS259461x 變體提供一個(gè)高電平有效的數(shù)字輸出（SPLYGD），指示輸入電源在有效范圍內(nèi)且設(shè)備已完成浪涌序列。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

TPS25946xx 適用于多種應(yīng)用，如智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、銷(xiāo)售點(diǎn)終端、USB OTG 設(shè)備和無(wú)線充電器等。在智能手機(jī)的 USB OTG 應(yīng)用中，它可以作為雙向電源開(kāi)關(guān)，提供過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，同時(shí)支持電池充電和向外部配件供電。

四、設(shè)計(jì)示例

以智能手機(jī) USB OTG 端口保護(hù)設(shè)計(jì)為例，介紹詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟：

1. 設(shè)計(jì)要求

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 設(shè)備選擇：選擇 TPS259460A 變體。
• 設(shè)置過(guò)壓閾值：使用電阻 R1 和 R2 設(shè)置，公式為 (V{IN(OV)}=frac{V{OV(R)}×(R1 + R2)}{R2})，選擇 (R1 = 470kΩ)，計(jì)算得 (R2 = 44.2kΩ)。
• 設(shè)置輸出電壓上升時(shí)間：計(jì)算所需壓擺率 (SR(V/ms)=frac{V{IN}(V)}{t{R}(ms)} = 1.8V/ms)，計(jì)算 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V/ms)} = 1111pF)，選擇 1100pF 電容。
• 設(shè)置電源良好斷言閾值：使用電阻 R3 和 R4 設(shè)置，公式為 (V{PG}=frac{V{PGTH(R)}×(R3 + R4)}{R4})，選擇 (R3 = 100kΩ)，計(jì)算得 (R4 = 36.5kΩ)。
• 設(shè)置過(guò)流閾值：使用 (R{ILM}) 電阻設(shè)置，公式為 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)} = 1025.8Ω)，選擇 1050Ω 電阻。
• 設(shè)置過(guò)流消隱間隔：使用 (C{ITIMER}) 電容設(shè)置，公式為 (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms)×I{ITIMER}(mu A)}{Delta V_{ITIMER}(V)} = 2.38nF)，選擇 2.2nF 電容。
• 選擇外部偏置電阻：計(jì)算最大 (R5 = 15.7Ω)，選擇 11Ω 電阻。
• 選擇外部二極管：要求二極管具有低正向電壓降、能夠支持初始負(fù)載電流和小尺寸。

五、電源供應(yīng)建議

• 輸入電源電壓范圍為 2.7V 至 23V，若輸入電源距離設(shè)備超過(guò)幾英寸，建議使用大于 0.1μF 的輸入陶瓷旁路電容。
• 電源供應(yīng)額定值應(yīng)高于設(shè)定的電流限制，以避免過(guò)流和短路時(shí)的電壓下降。

六、布局指南

• 在 IN 端子和 GND 端子之間使用 0.1μF 或更大的陶瓷去耦電容，且電容應(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(mǎn)載電流。
• GND 端子應(yīng)通過(guò)最短的走線連接到 PCB 接地平面，建議為 eFuse 設(shè)置單獨(dú)的接地平面島。
• IN 和 OUT 引腳用于散熱，應(yīng)盡可能連接到 PCB 頂層和底層的銅面積，并添加熱過(guò)孔。
• 支持組件應(yīng)靠近其連接引腳，連接到 GND 引腳的走線應(yīng)盡可能短，以減少寄生效應(yīng)。
• 保護(hù)設(shè)備應(yīng)靠近被保護(hù)的設(shè)備，走線應(yīng)短以減少電感。

七、總結(jié)

TPS25946xx eFuse 為電子工程師提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、集成度高的電源保護(hù)解決方案。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布局，可以確保設(shè)備在各種復(fù)雜的電源環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的參數(shù)和組件，為電子設(shè)備提供可靠的電源保護(hù)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。