TPS25984Bx：高性能集成熱插拔 eFuse 助力電源保護與管理

在電子設備的設計中，電源保護和管理至關重要。今天，我們來深入探討德州儀器（TI）的 TPS25984Bx 系列產品，這是一款高電流、可堆疊的集成熱插拔保護（eFuse）設備，在小封裝內提供了強大的功能和可靠的保護。

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一、產品概述

TPS25984Bx 工作在 4.5V - 16V 的輸入電壓范圍內，絕對最大電壓可達 20V DC 和 23.5V 瞬態，還能承受高達 -1V 的負輸出電壓。它集成了超低 (R_{DSON})（典型值 0.8mΩ）的 FET，額定 RMS 電流為 55A，峰值電流可達 70A。此外，該設備支持多個 eFuse 并聯以提供更高的電流，在啟動時實現電流平衡，具備強大的過流、短路和過壓保護功能，還能精確監測負載電流。

二、主要特性

1. 寬輸入電壓范圍與高耐壓能力

輸入工作電壓范圍為 4.5V - 16V，能適應多種電源環境。絕對最大電壓和瞬態電壓的高指標，以及對負輸出電壓的承受能力，增加了設備在復雜電源條件下的可靠性。

2. 超低導通電阻與高電流能力

集成的 FET 具有超低 (R_{DSON})，典型值為 0.8mΩ，降低了功率損耗。額定 RMS 電流 55A 和峰值電流 70A，滿足高功率應用的需求。

3. 多 eFuse 并聯支持

多個 TPS25984Bx 可并聯使用，在啟動時實現電流平衡，避免部分設備過載，提高系統的整體電流容量和可靠性。

4. 全面的保護功能

• 過流保護：過流閾值（IOCP）可在 10A - 80A 之間調節，精度為 ±5%。內部瞬態過流消隱定時器允許系統支持負載電流的瞬態峰值，避免誤觸發。
• 短路保護：對輸出短路事件的快速跳閘響應（<200ns），有可調（(2 ×I_{OCP})）和固定閾值，且不受電源線路瞬變影響，防止誤跳閘。
• 過壓保護：固定 18.4V 過壓保護閾值，快速響應輸入過壓情況。
• 過熱保護：具備過熱保護（OTP）功能，當結溫過高時自動關閉 FET，保護設備安全。

5. 精確的電流監測

模擬負載電流監測精度為 ±1.4%，帶寬 >500kHz，能實時準確地監測負載電流，為系統的電源管理提供重要數據。

6. 其他特性

• 可調輸出壓擺率控制（dVdt），用于抑制浪涌電流。
• 具有可調欠壓鎖定（UVLO）的高電平使能輸入。
• 集成 FET 健康監測和報告功能。
• 提供模擬管芯溫度監測輸出（TEMP）、專用故障指示引腳（GOK/FLT）和電源良好指示引腳（PG）。

三、引腳配置與功能

TPS25984Bx 采用 QFN - 32 封裝，各引腳功能明確：

• OUT 引腳：電源輸出，需均勻焊接到輸出電源平面，確保良好的散熱和電流分布。
• D_OC 引腳：開漏信號，指示過流事件。
• EN/UVLO 引腳：高電平使能輸入，可通過電阻分壓器設置欠壓閾值。
• GOK/FLT 引腳：開漏低電平故障指示，也可用于并聯設備間的故障同步。
• PG 引腳：開漏高電平電源良好指示，建議外部上拉到邏輯電平電源。
• TEMP 引腳：模擬管芯溫度監測輸出，可多個設備并聯使用以指示鏈中最高溫度。
• DVDT 引腳：啟動輸出壓擺率控制引腳，連接電容可減慢壓擺率，控制浪涌電流。
• ILIM 引腳：設置啟動時的電流限制閾值和穩態時的斷路器及快速跳閘閾值，也可作為模擬負載電流監測。
• IREF 引腳：過流和短路保護塊的參考電壓，可通過內部電流源和電阻或外部電壓源驅動。

四、應用領域

TPS25984Bx 適用于多種應用場景，包括：

• 服務器和高性能計算：保護服務器電源輸入，確保系統穩定運行。
• 網絡接口卡：防止過流、短路等故障對網絡設備造成損壞。
• 圖形和硬件加速卡：為高功率顯卡和加速卡提供可靠的電源保護。
• 數據中心交換機和路由器：保障數據中心設備的電源安全。
• 風扇托盤：保護風扇電源，延長風扇使用壽命。

五、應用設計示例

以 12V、3.3kW 數據中心服務器電源路徑保護為例，詳細介紹設計步驟：

1. 確定并聯 eFuse 數量

根據最大穩態直流負載電流和單個 eFuse 的額定電流，計算所需并聯的 eFuse 數量。在本示例中，最大穩態負載電流為 275A，單個 TPS25984Bx 在 70°C 環境下的最大穩態直流電流為 55A，因此需要 6 個 eFuse 并聯。

2. 選擇 (C_{DVDT}) 電容

為控制輸出壓擺率和啟動時間，需根據系統負載和啟動時間要求選擇合適的 (C{DVDT}) 電容。通過計算平均浪涌功率損耗，確保系統滿足啟動條件，并根據公式計算 (C{DVDT}) 值。在本示例中，計算得到 (C_{DVDT}) 為 258nF，選擇最接近的標準值 250nF。

3. 選擇 (R_{IREF}) 電阻

設置過流保護的參考電壓，通過 (R{IREF}) 電阻與內部電流源相互作用產生參考電壓。在本示例中，將 (V{IREF}) 設置為 1.62V，計算得到 (R_{IREF}) 為 27kΩ。

4. 選擇 (R_{IMON}) 電阻

用于監測每個 eFuse 的電流，根據電流監測增益和系統要求選擇合適的 (R_{IMON}) 電阻。

5. 選擇 (R_{ILIM}) 電阻

設置穩態和啟動時的過流（斷路器）和快速跳閘閾值。在本示例中，將 (I{OCP}) 設置為 480A，計算得到 (R{ILIM}) 為 2kΩ。

6. 選擇電阻設置欠壓鎖定閾值

通過外部電阻分壓器網絡調整欠壓鎖定（UVLO）閾值，選擇合適的電阻值并添加電容進行降噪。

7. 選擇上拉電阻和電源

GOK/FLT 和 PG 引腳為開漏輸出，需通過上拉電阻連接到合適的電壓。

8. 選擇 TVS 二極管和肖特基二極管

為防止輸入和輸出的電壓瞬變，選擇合適的 TVS 二極管和肖特基二極管。TVS 二極管用于鉗位輸入正瞬態電壓，肖特基二極管用于吸收輸出負尖峰。

9. 選擇 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 電容

添加陶瓷旁路電容穩定輸入和輸出電壓，建議 (C{IN}) 為 0.1μF，(C{OUT}) 為 2.2μF。

六、布局建議

• 在 IN 端子和 GND 端子之間添加 0.1 μF 或更大的陶瓷去耦電容，OUT 端子和 GND 端子之間添加 2.2 μF 或更大的陶瓷去耦電容，且去耦電容應盡可能靠近設備的 IN 和 GND 端子。
• 高電流承載的電源路徑連接應盡可能短，并能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND 端子應連接到 PCB 接地平面，IN 和 OUT 引腳用于散熱，應連接盡可能多的銅面積并使用熱過孔。
• 支持組件（如 (R{ILIM})、(R{IMON})、(R{IREF})、(C{dVdt}) 等）應靠近其連接引腳，并將另一端連接到設備的 GND 引腳，且走線應盡可能短，避免與開關信號耦合。
• 保護設備（如 TVS、肖特基二極管等）應靠近被保護設備，并使用短走線以減少電感。

七、總結

TPS25984Bx 是一款功能強大、性能可靠的集成熱插拔 eFuse 設備，為電子設備的電源保護和管理提供了全面的解決方案。通過合理的設計和布局，它能有效提高系統的可靠性和穩定性，適用于多種高功率應用場景。電子工程師在設計過程中，應根據具體需求選擇合適的參數和組件，確保系統的性能和安全性。你在使用 TPS25984Bx 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。