TPS2475x：12A eFuse電路保護(hù)器的深度解析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電路保護(hù)是至關(guān)重要的一環(huán)。TI推出的TPS2475x系列12A eFuse電路保護(hù)器，憑借其高度集成的特性和強大的保護(hù)功能，在眾多應(yīng)用場景中得到了廣泛的應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

TPS2475x系列包括TPS24750和TPS24751，適用于2.5V至18V的應(yīng)用，能夠為源、負(fù)載和內(nèi)部MOSFET提供保護(hù)，防止?jié)撛诘膿p壞事件。它將熱插拔控制器和功率MOSFET集成在一個封裝中，適用于小尺寸應(yīng)用。

產(chǎn)品特性

• 寬電壓范圍與高電流能力：支持2.5V至18V的總線操作，連續(xù)電流可達(dá)12A，滿足多種應(yīng)用需求。
• 集成MOSFET：內(nèi)置MOSFET，典型 (R_{DS(on)}) 為3mΩ，有效降低導(dǎo)通損耗。
• 可編程功能：包括可編程電流限制、FET安全工作區(qū)（SOA）保護(hù)、故障定時器、輸出壓擺率、欠壓（UV）和過壓（OV）保護(hù)等，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行靈活配置。
• 狀態(tài)監(jiān)測與控制：提供電源良好（PG）和故障（FLT）輸出，以及模擬負(fù)載電流監(jiān)測功能，方便系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和下游負(fù)載控制。
• 保護(hù)機制：具備快速斷路器用于短路保護(hù)和熱關(guān)斷功能，確保系統(tǒng)在異常情況下的安全性。
• UL認(rèn)證：獲得UL 2367認(rèn)證，文件編號為E339631，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用場景

TPS2475x廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、高電流負(fù)載開關(guān)、通信設(shè)備、插件模塊、RAID系統(tǒng)、基站和風(fēng)扇控制等領(lǐng)域，為這些設(shè)備提供可靠的電路保護(hù)。

產(chǎn)品規(guī)格與參數(shù)

絕對最大額定值

在操作自由空氣溫度范圍內(nèi)，各引腳的電壓和電流都有明確的限制。例如，輸入電壓（DRAIN、EN、FLTb等引腳）范圍為 -0.3V至30V，最大結(jié)溫為150°C，存儲溫度范圍為 -65°C至150°C。

ESD評級

人體模型（HBM）和帶電設(shè)備模型（CDM）的ESD評級均為 ±500V，在使用過程中需要注意靜電防護(hù)。

推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為2.5V至18V，不同引腳的電壓、電流和電阻等參數(shù)也有相應(yīng)的要求。例如，OV引腳的電壓范圍為0V至16V，PROG引腳的電阻范圍為4.99kΩ至500kΩ。

熱信息

提供了多種熱指標(biāo)，如結(jié)到環(huán)境熱阻 (R{θJA}) 為33.7°C/W，結(jié)到外殼（頂部）熱阻 (R{θJC(top)}) 為28.2°C/W等，有助于在設(shè)計中進(jìn)行熱管理。

電氣特性

在 -40°C至 +125°C的結(jié)溫范圍內(nèi)，對各個引腳的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。例如，VCC引腳的欠壓鎖定（UVLO）閾值上升為2.20V至2.45V，下降為2.10V至2.35V；OUT引腳的導(dǎo)通電阻在不同溫度和電流條件下有不同的值。

引腳配置與功能

TPS2475x采用36引腳的VQFN（RUV）封裝，各引腳具有不同的功能。

• DRAIN：內(nèi)部通MOSFET的漏極，連接到功率路徑中的電流感測電阻的一端。
• EN：高電平有效使能輸入，可作為欠壓監(jiān)測引腳，通過外部電阻分壓器實現(xiàn)。
• FLTb：低電平有效、開漏輸出，指示過載故障定時器已關(guān)閉內(nèi)部FET。TPS24750工作在鎖存模式，TPS24751工作在重試模式。
• GATE：為內(nèi)部MOSFET提供柵極驅(qū)動，在啟動時可調(diào)節(jié)內(nèi)部FET的柵極電壓以限制浪涌電流。
• GND：連接到系統(tǒng)地。
• IMON：負(fù)載電流模擬和電流限制編程點，通過連接到地的電阻 (R_{IMON}) 來縮放電流限制和功率限制設(shè)置。
• OUT：連接到內(nèi)部MOSFET的源極，用于測量漏源電壓，必須用低阻抗陶瓷電容旁路到地。
• OV：用于編程設(shè)備的過壓水平，當(dāng)電壓超過1.35V時，關(guān)閉內(nèi)部FET。
• PGb：低電平有效、開漏輸出，用于指示電源良好狀態(tài)，可與下游dc/dc轉(zhuǎn)換器或監(jiān)測電路接口。
• PROG：通過連接到地的電阻設(shè)置內(nèi)部MOSFET在浪涌期間允許的最大功率。
• SENSE：連接到 (R_{SENSE}) 的負(fù)端，用于感測電阻兩端的電壓和監(jiān)測內(nèi)部FET的漏源電壓。
• SET：通過連接到 (R{SENSE}) 正端的電阻 (R{SET}) 來縮放電流限制和功率限制設(shè)置。
• TIMER：通過連接到地的電容 (C_{T}) 確定過載故障計時。
• VCC：為集成電路提供偏置電源，同時作為上電復(fù)位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能的輸入。

工作模式與功能詳解

板卡插入模式

當(dāng)熱插拔板卡插入系統(tǒng)總線時，TPS2475x在內(nèi)部電壓穩(wěn)定期間保持 inactive 狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)部VCC電壓超過約1.5V時，上電復(fù)位（POR）電路初始化設(shè)備，開始啟動周期。

浪涌操作模式

初始化完成且EN有效后，GATE引腳開始增加電壓，當(dāng)達(dá)到內(nèi)部FET的柵極閾值時，電流流入下游大容量存儲電容。當(dāng)電流超過功率限制引擎設(shè)置的限制時，內(nèi)部FET的柵極由反饋回路調(diào)節(jié)，以控制電流上升，同時將內(nèi)部FET的功率耗散限制在安全水平。當(dāng) (V_{(GATE - VCC)}) 達(dá)到定時器激活電壓時，浪涌模式結(jié)束。

恒功率引擎的作用

在啟動期間，恒功率引擎通過調(diào)節(jié)參考信號來調(diào)整電流，以保持內(nèi)部FET的功率耗散恒定。例如，當(dāng)電流開始流動時，根據(jù)輸入電壓和設(shè)定的功率限制，允許一定的電流通過，隨著漏源電壓的減小，電流成反比增加，直到達(dá)到電流限制 (I_{LIM})。

斷路器和快速跳閘功能

TPS2475x通過感測 (R_{SENSE}) 兩端的電壓來監(jiān)測負(fù)載電流，具有電流限制閾值和快速跳閘閾值。當(dāng)電流超過電流限制閾值時，故障定時器開始計時，當(dāng)電壓達(dá)到1.35V時，內(nèi)部FET關(guān)閉。TPS24750進(jìn)入鎖存模式，TPS24751進(jìn)入重啟模式。當(dāng)電壓超過快速跳閘閾值（60mV）時，GATE引腳立即以約1A的電流將內(nèi)部FET柵極拉到地，然后緩慢重新開啟，由電流限制反饋回路接管柵極控制。

自動重啟功能

TPS24751在故障導(dǎo)致內(nèi)部FET關(guān)閉后，會自動啟動重啟。內(nèi)部控制電路使用 (C_{T}) 計數(shù)16個周期后重新啟用FET。如果故障仍然存在，該序列將重復(fù)進(jìn)行。

輸出短路啟動功能

TPS2475x能夠在啟動期間檢測輸出短路，并確保熱插拔電路/系統(tǒng)關(guān)閉并發(fā)出故障指示。如果在啟動周期內(nèi) (C_{T}) 上的電壓達(dá)到1.35V，內(nèi)部FET關(guān)閉，故障引腳FLTb拉低。

PGb、FLTb和定時器操作

• PGb：基于內(nèi)部FET兩端的電壓提供去毛刺的浪涌結(jié)束指示，可防止下游dc/dc轉(zhuǎn)換器在輸入電容 (C_{OUT}) 仍在充電時啟動。
• FLTb：指示允許的故障定時器周期結(jié)束，當(dāng)負(fù)載電流超過編程的電流限制但未超過快速跳閘閾值時，故障定時器開始計時，當(dāng) (C_{T}) 上的電壓達(dá)到1.35V時，F(xiàn)LTb拉低。
• 定時器：在不同的工作模式下，定時器的行為有所不同。在鎖存模式和重試模式下，當(dāng) (C_{T}) 達(dá)到上限閾值時，分別有不同的操作。

過溫關(guān)斷功能

當(dāng)芯片管芯溫度超過約140°C時，內(nèi)置的過溫關(guān)斷電路會禁用柵極驅(qū)動器，關(guān)閉內(nèi)部FET。當(dāng)溫度下降約10°C時，恢復(fù)正常操作。

熱插拔電路的啟動方式

TPS2475x有兩種啟動內(nèi)部FET的方式：一是當(dāng)EN高于其上限閾值且VCC高于UVLO上限閾值時，向內(nèi)部FET的柵極提供電流；二是當(dāng)VCC高于UVLO上限閾值且EN高于其上限閾值時，同樣向內(nèi)部FET的柵極提供電流。內(nèi)部FET可以通過多種條件禁用，如UVLO、EN、負(fù)載電流超過電流限制閾值、負(fù)載短路、OV或OTSD等。

應(yīng)用與設(shè)計

設(shè)計步驟

在設(shè)計應(yīng)用電路時，可以按照以下步驟選擇組件值：

1. 選擇 (R{SENSE})、(SET) 和 (R{IMON})：推薦的電流限制閾值電壓范圍為10mV至42mV，為了實現(xiàn)高效率，應(yīng)盡量減小 (R{SENSE}) 的功率耗散。同時，根據(jù)電流限制要求選擇合適的 (R{SET}) 和 (R_{IMON}) 值。
2. 選擇功率限制值 (P{LIM}) 和 (R{PROG})：為了防止內(nèi)部FET管芯溫度超過短期最大溫度，需要設(shè)置功率限制 (P{LIM})。根據(jù)熱阻和溫度等參數(shù)計算 (P{LIM})，并選擇合適的 (R_{PROG}) 電阻。
3. 選擇輸出電壓上升時間 (t{ON}) 和定時電容 (C{T})：根據(jù)負(fù)載電容和功率限制等條件計算 (t{ON})，并考慮額外的柵極電壓上升時間，確定最小故障時間 (t{FLT})。選擇合適的 (C_{T}) 值，以避免在啟動期間關(guān)閉。
4. 計算重試模式占空比：在重試模式下，TPS24751的占空比為6.35ms / 161.45ms = 3.93%，有效穩(wěn)態(tài)功率耗散為 (P_{LIM}) 的4%。
5. 選擇 (R{1})、(R{2}) 和 (R_{3}) 用于UV和OV：根據(jù)TPS2475x的電氣規(guī)格和設(shè)計要求，選擇合適的電阻值，以實現(xiàn)欠壓和過壓保護(hù)。
6. 選擇 (R{4})、(R{5}) 和 (C_{1})：如果使用PGb和FLTb引腳，需要選擇合適的上拉電阻 (R{4}) 和 (R{5})，同時選擇合適的旁路電容 (C_{1}) 來控制瞬態(tài)電壓和噪聲。

其他設(shè)計考慮因素

• PGb的使用：使用PGb引腳控制和協(xié)調(diào)下游dc/dc轉(zhuǎn)換器，避免在 (C_{OUT}) 仍在充電時啟動轉(zhuǎn)換器，防止出現(xiàn)不期望的鎖存狀態(tài)。
• 輸出鉗位二極管：對于輸出端的感性負(fù)載，連接一個二極管從OUT到GND，以滿足OUT引腳的額定值，推薦使用肖特基二極管。
• 柵極鉗位二極管：對于工作電壓大于14V的應(yīng)用，需要使用負(fù)柵極鉗位，同時推薦使用幾百歐姆的串聯(lián)電阻或串聯(lián)硅二極管，以防止輸出電容通過柵極驅(qū)動器放電到地。
• 旁路電容：在VCC和OUT引腳提供低阻抗陶瓷電容旁路，推薦值范圍為10nF至1μF。
• 輸出短路測量：由于短路測試結(jié)果受多種因素影響，需要仔細(xì)配置和選擇測試方法，以獲得實際的測試結(jié)果。

布局指南

TPS2475x的應(yīng)用需要仔細(xì)考慮布局，以確保性能并減少對瞬態(tài)和噪聲的敏感性。

• 去耦電容：VCC引腳的去耦電容應(yīng)盡可能靠近引腳和GND，以減小走線長度。
• SET和SENSE走線：SET和SENSE的走線應(yīng)短且并排運行，以提高共模抑制能力。在與 (R_{SENSE}) 接觸的點應(yīng)使用開爾文連接。
• 高電流路徑：高電流承載的功率路徑連接應(yīng)盡可能短，并能夠承載至少兩倍的滿載電流。
• IMON引腳連接：在完成上述連接后，應(yīng)盡量減少IMON引腳的連接。
• 參考平面：參考應(yīng)使用銅平面或島，必要時使用過孔將組件直接連接到適當(dāng)?shù)姆祷亟拥仄矫婊驆u。
• 熱考慮：PowerPAD封裝提供了更好的散熱能力，PowerPAD-2應(yīng)直接焊接到PC板的DRAIN平面，底部的DRAIN平面可增加散熱效果。
• 保護(hù)器件：保護(hù)器件（如緩沖器、TVS、電容或二極管）應(yīng)靠近被保護(hù)的設(shè)備，并使用短走線以減少電感。

總結(jié)

TPS2475x系列12A eFuse電路保護(hù)器是一款功能強大、性能可靠的電路保護(hù)器件。通過其豐富的可編程功能和多種保護(hù)機制，能夠為各種應(yīng)用提供有效的電路保護(hù)。在設(shè)計應(yīng)用電路時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和參數(shù)要求，合理選擇組件值，并注意布局和熱管理等方面的問題。希望本文能夠為電子工程師在使用TPS2475x時提供一些有用的參考。

大家在使用TPS2475x的過程中，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨特的應(yīng)用經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。