深入解析TPS25921x eFuse：功能、應(yīng)用與設(shè)計要點(diǎn)

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源保護(hù)和管理至關(guān)重要。TPS25921x系列eFuse作為一款功能強(qiáng)大的電源保護(hù)器件，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。本文將深入探討TPS25921x的特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計過程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、TPS25921x概述

TPS25921x是德州儀器（TI）推出的一款緊湊型、功能豐富的eFuse，具有一系列全面的保護(hù)功能。它的工作電壓范圍為4.5V - 18V，最大可達(dá)20V，典型導(dǎo)通電阻 (R_{DS(ON)}) 為90mΩ。該器件提供了精確的電流限制（0.4A - 1.6A可調(diào)，在1A、25°C時精度為±2%）、過壓和欠壓保護(hù)（閾值精度為±3%），還具備可編程的輸出電壓上升速率控制、故障輸出等特性，適用于多種系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)用。

1.1 主要特性

• 寬工作電壓范圍：4.5V - 18V的工作電壓范圍，可適應(yīng)多種常見的直流母線，最大耐壓20V，為設(shè)計提供了更大的靈活性。
• 精確的電流限制：±2%的電流限制精度，在室溫下能提供出色的準(zhǔn)確性，有助于優(yōu)化輸入電源的設(shè)計，減少過設(shè)計。
• 過壓和欠壓保護(hù)：±3%的過壓和欠壓閾值精度，確保對母線電壓的嚴(yán)格監(jiān)控，無需額外的電壓監(jiān)控芯片。
• 可編程輸出上升速率：通過軟啟動（SS）引腳外接電容，可實現(xiàn)可編程的輸出電壓上升速率控制，有效控制浪涌電流，減少對系統(tǒng)的沖擊。
• 故障輸出：提供故障標(biāo)志輸出（FLT），用于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和下游負(fù)載控制，可指示欠壓、過壓和熱關(guān)斷等故障情況。
• 溫度范圍廣：結(jié)溫范圍為 -40°C至125°C，能適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
• 多種工作模式：提供自動重試和鎖存關(guān)斷兩種版本，滿足不同應(yīng)用場景的需求。
• 安全認(rèn)證：獲得UL2367認(rèn)證（文件編號E169910），并通過UL60950單點(diǎn)故障安全測試。

1.2 應(yīng)用場景

TPS25921x適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，包括：

• 白色家電和電器：為家電設(shè)備提供電源保護(hù)，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 機(jī)頂盒、DVD和游戲機(jī)：保護(hù)設(shè)備免受電源故障的影響，提高設(shè)備的可靠性。
• 硬盤和固態(tài)硬盤：防止過流和過壓對存儲設(shè)備造成損壞。
• 智能電表和氣體分析儀：在工業(yè)和能源領(lǐng)域，保障設(shè)備的安全和準(zhǔn)確運(yùn)行。
• 智能負(fù)載開關(guān)和USB開關(guān)：實現(xiàn)對負(fù)載的靈活控制和保護(hù)。
• 適配器電源設(shè)備：為電源適配器提供過流和過壓保護(hù)。

二、引腳配置與功能

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

• 輸入電壓范圍：IN、OUT、ENUV、OVP、FLT引腳的電壓范圍為 -0.3V至20V，IN引腳在10ms瞬態(tài)情況下可達(dá)22V。
• ILIM和SS引腳電壓： -0.3V至7V。
• SS引腳灌電流：最大5mA。
• FLT引腳灌電流：最大100mA。
• 最大結(jié)溫：內(nèi)部限制。
• 存儲溫度范圍： -65°C至150°C。

3.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2000V。
• 帶電器件模型（CDM）：±500V。

3.3 推薦工作條件

• 輸入電壓范圍：IN引腳為4.5V - 18V，OUT、OVP、ENUV、FLT引腳為0V - 18V，SS引腳為0V - 6V，ILIM引腳為0V - 3.3V。
• 電阻：ILIM引腳外接電阻范圍為35.7kΩ - 158kΩ。
• 外部電容：OUT引腳外接電容范圍為0.1μF - 1μF，SS引腳外接電容范圍為1nF - 1000nF。
• 工作結(jié)溫范圍： -40°C - 125°C。

3.4 電氣特性

TPS25921x的電氣特性包括電源電壓、欠壓鎖定、過壓保護(hù)、使能和欠壓鎖定、軟啟動、電流限制編程、MOSFET功率開關(guān)、輸出偏置電流和故障標(biāo)志等方面的參數(shù)。例如，在典型工作條件下，工作輸入電壓范圍為4.5V - 18V，欠壓鎖定閾值上升為4.10V - 4.40V，過壓保護(hù)閾值上升為1.35V - 1.43V等。

3.5 時序要求

TPS25921x的時序要求涉及使能和欠壓鎖定、過壓保護(hù)、軟啟動、電流限制編程和熱關(guān)斷等方面的延遲時間。例如，使能延遲時間tON(dly)在不同條件下有所不同，當(dāng)C(SS) = OPEN時，ENUV上升到V(OUT) = 1V的延遲時間為96μs；當(dāng)C(SS) > 0.39nF時，延遲時間為14.5 + 0.5 x (70p + C(SS)) μs。

四、詳細(xì)功能描述

4.1 使能和欠壓鎖定（UVLO）

ENUV引腳控制內(nèi)部FET的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)該引腳電壓 (V{(ENUV)} < V{(ENF)}) 時，內(nèi)部FET關(guān)閉，斷開IN和OUT之間的連接。通過外部電阻分壓器可對欠壓鎖定閾值進(jìn)行編程。此外，當(dāng)檢測到欠壓或輸入電源故障時，內(nèi)部FET迅速關(guān)閉，F(xiàn)LT引腳拉低以指示故障。

4.2 過壓保護(hù)（OVP）

TPS25921x通過連接在電源和OVP引腳之間的電阻分壓器來設(shè)置過壓閾值。當(dāng)OVP引腳電壓超過 (V_{(OVPR)}) 時，內(nèi)部FET關(guān)閉，保護(hù)下游負(fù)載。不使用時，該引腳應(yīng)接地。

4.3 熱插拔和浪涌電流控制

該器件專為控制熱插拔時的浪涌電流而設(shè)計，可限制背板電源電壓的下降，防止系統(tǒng)電源意外復(fù)位。通過在SS引腳連接外部電容，可定義電源開啟時輸出電壓的上升速率。輸出電壓上升速率的計算公式為： [ frac{dV{(OUT)}}{dt} = frac{I{(SS)}}{C{(SS)} + C{(INT)}} times GAIN{(SS)} ] 其中， (I{(SS)}) 為SS引腳充電電流（典型值為1μA）， (GAIN_{(SS)}) 為SS到OUT的增益（典型值為4.85）。

4.4 過載和短路保護(hù)

TPS25921x通過監(jiān)測內(nèi)部感測電阻上的電壓來監(jiān)控負(fù)載電流。在過載事件中，電流被限制在由 (R{(ILIM)}) 電阻編程的電流限制值 (I{LIMIT}) 。該器件具有兩個不同的過流保護(hù)級別：電流限制 (I{LIMIT}) 和快速跳閘閾值 (I{(FASTRIP)}) 。當(dāng)電流超過 (I_{(FASTRIP)}) 時，快速跳閘比較器在3μs內(nèi)關(guān)閉通過器件，終止快速短路峰值電流。

4.5 故障響應(yīng)

FLT引腳為開漏輸出，在欠壓、過壓和熱關(guān)斷等故障條件下拉低，指示故障狀態(tài)。故障信號將保持有效，直到故障條件消除，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。在熱關(guān)斷時，TPS25921L版本保持鎖存關(guān)閉，而TPS25921A版本在結(jié)溫 (T{J} < [T{(TSD)} - 20^{circ}C]) 后 (t_{TSD(dly)}) 毫秒開始自動重試。

4.6 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫 (T{J} > 155^{circ}C) （典型值）時，內(nèi)部過熱關(guān)斷功能將禁用/關(guān)閉FET。TPS25921L版本將內(nèi)部FET鎖存關(guān)閉，而TPS25921A版本在結(jié)溫下降到 (T{J} < [T{(TSD)} - 20^{circ}C]) 后 (t{TSD(dly)}) 毫秒開始自動重試。在熱關(guān)斷期間，故障引腳FLT拉低以指示故障。

五、應(yīng)用與設(shè)計實例

5.1 典型應(yīng)用：白色家電的精密電流限制和保護(hù)

以白色家電應(yīng)用為例，TPS25921x可用于提供精密的電流限制和保護(hù)。設(shè)計參數(shù)如下：

• 輸入電壓范圍：12V
• 欠壓鎖定設(shè)定點(diǎn)：8V
• 過壓保護(hù)設(shè)定點(diǎn)：17V
• 啟動時負(fù)載：24Ω
• 電流限制：1A
• 負(fù)載電容：100μF
• 最大環(huán)境溫度：85°C

5.1.1 設(shè)計步驟

1. 編程電流限制閾值：通過 (R{(ILIM)}) 電阻設(shè)置過載電流限制，計算公式為 (R{(ILIM)} = frac{I_{LIMIT} + 0.018}{10.73 times 10^{-3}}) ，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值95.3kΩ。
2. 設(shè)置欠壓鎖定和過壓設(shè)定點(diǎn)：使用外部電阻分壓器 (R{1}) 、 (R{2}) 和 (R{3}) 調(diào)整欠壓鎖定和過壓跳閘點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計要求和器件規(guī)格，計算得出 (R{1} = 470kΩ) 、 (R{2} = 53kΩ) 、 (R{3} = 47kΩ) 。
3. 設(shè)置輸出電壓上升時間（tSS）：考慮啟動時有無負(fù)載的兩種情況，計算所需的上升電容 (C{(SS)}) 。在無負(fù)載啟動時，根據(jù)公式 (t{SS} = 20.6 times 10^{4} times V{(IN)} times (C{(SS)} + 70pF)) 計算上升時間；在有負(fù)載啟動時，還需考慮負(fù)載電流對功率損耗的影響。選擇 (C_{(SS)} = 1nF) 時，計算得出啟動時的浪涌電流和功率損耗，并根據(jù)熱關(guān)斷極限圖驗證是否滿足要求。
4. 支持組件選擇： (R{4}) 作為FLT引腳的上拉電阻，電流不應(yīng)超過100mA； (C{IN}) 為旁路電容，推薦值為0.001μF - 0.1μF，用于控制瞬態(tài)電壓、單位發(fā)射和局部電源噪聲。

5.2 其他系統(tǒng)應(yīng)用

• 初級側(cè)調(diào)節(jié)電源的保護(hù)和電流限制：TPS25921x可用于初級側(cè)調(diào)節(jié)電源和適配器，提供精確的輸出電流限制和二次側(cè)保護(hù)，解決傳統(tǒng)電源在短路、過壓和過載瞬態(tài)等方面的問題。
• 本安應(yīng)用中的精密電流限制：在本安應(yīng)用中，如氣體分析儀、醫(yī)療設(shè)備等，TPS25921x可用于精確限制電流和在過壓條件下精確關(guān)閉電路，確保設(shè)備在危險環(huán)境中的安全運(yùn)行。
• 智能負(fù)載開關(guān)：TPS25921x可作為智能負(fù)載開關(guān)，用于4.5V - 18V的應(yīng)用，提供可編程軟啟動、可編程電流限制、過溫保護(hù)、故障標(biāo)志和欠壓鎖定等功能。

六、布局和電源建議

6.1 布局指南

• 去耦電容：在IN和GND引腳之間推薦使用0.01μF或更大的陶瓷去耦電容，對于熱插拔應(yīng)用，若輸入電源路徑電感可忽略不計，可減少或消除該電容。
• 布線：高電流功率路徑連接應(yīng)盡可能短，并能承受至少兩倍的滿載電流。GND引腳應(yīng)連接到PCB接地平面。所有支持組件（如 (R{(ILIM)}) 、 (C{SS}) 等）應(yīng)靠近其連接引腳，減少寄生效應(yīng)。OVP和ENUV信號跡線應(yīng)與FLT信號跡線保持足夠的間距，避免故障時的雜散耦合。
• 保護(hù)器件：保護(hù)器件（如TVS、電容、二極管等）應(yīng)靠近被保護(hù)的器件放置，并使用短跡線布線，以減少電感。

6.2 電源建議

• 輸入電容：若輸入電源與器件距離超過幾英寸，建議使用大于0.1μF的輸入陶瓷旁路電容。
• 電源額定值：電源額定值應(yīng)高于設(shè)定的電流限制，以避免過流和短路時的電壓下降。
• 瞬態(tài)保護(hù)：為防止短路和過載時的電壓尖峰，可采取減少引線長度和電感、使用大PCB接地平面、在輸出端跨接肖特基二極管、使用低值陶瓷電容等措施。必要時，可添加瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

七、總結(jié)

TPS25921x eFuse是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的電源保護(hù)器件，具有精確的電流限制、過壓和欠壓保護(hù)、可編程輸出上升速率等特性，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的參數(shù)和組件，并遵循布局和電源建議，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠性。通過本文的介紹，相信工程師們對TPS25921x有了更深入的了解，能夠更好地應(yīng)用該器件進(jìn)行電子設(shè)計。你在使用TPS25921x的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。