TPS25984x：高電流eFuse的卓越解決方案

在電子設計領域，高電流電路的保護和管理一直是一個關鍵挑戰。德州儀器（TI）的TPS25984x系列產品為這一挑戰提供了出色的解決方案。該系列產品集成了高電流電路保護和電源管理功能，采用小封裝，能夠有效應對各種復雜的應用場景。

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一、產品特性亮點

1. 寬輸入電壓范圍與高耐壓能力

TPS25984x的輸入工作電壓范圍為4.5V至16V，絕對最大值可達20V，還能承受23.5V的10μs脈沖電壓，輸出端可承受高達 - 1V的負電壓。這種寬電壓范圍和高耐壓能力使得該產品能夠適應多種不同的電源環境。

2. 超低導通電阻與高電流承載能力

其集成的FET具有超低的導通電阻，典型值為0.8mΩ，額定RMS電流為55A，峰值電流可達70A。這意味著在高電流應用中，能夠有效降低功率損耗，提高系統效率。

3. 強大的保護功能

• 過流保護：過流閾值（IOCP）可在10A至55A之間調節，精度達±5%。在穩態運行時，可通過可調的瞬態過流定時器（ITIMER）支持高達2×IOCP的峰值電流。啟動時的有源電流限制（ILIM）也可調節。
• 短路保護：對輸出短路事件具有快速跳閘響應（<200ns），閾值可調，且不受電源線瞬變影響，避免誤跳閘。
• 過壓保護：固定16.7V閾值的快速過壓保護，能及時切斷過高的輸入電壓，保護負載設備。
• 浪涌電流保護：可調節輸出壓擺率控制（dVdt），有效限制啟動時的浪涌電流，保護系統免受沖擊。
• 過熱保護：具備過熱保護（OTP）功能，確保FET在安全工作區（SOA）內運行，FET SOA為10W√s。

4. 精確的電流和溫度監測

• 模擬負載電流監測：精度為±1.4%，帶寬>500kHz，能夠實時、準確地監測負載電流，為系統的功率管理提供重要依據。
• 溫度監測：集成了FET健康監測和報告功能，通過模擬管芯溫度監測輸出（TEMP），可實時了解器件的溫度狀態。

5. 靈活的并行連接

支持多個eFuse并聯連接，以提供更高的電流支持。在啟動和穩態期間，設備能夠主動同步工作狀態并實現負載共享，避免部分設備過載，提高系統的可靠性和穩定性。

6. 豐富的指示和控制引腳

• 故障指示引腳（FLT）：用于指示設備是否發生故障，方便系統進行故障診斷和處理。
• 電源良好指示引腳（PG）：表明設備處于穩態且能夠提供最大功率，為系統的正常運行提供指示。
• 使能輸入（EN/UVLO）：高電平有效，可調節欠壓鎖定（UVLO）閾值，方便控制設備的啟動和關閉。

7. 小封裝與環保設計

采用QFN 5mm × 5mm的小封裝，節省電路板空間。同時，產品100%無鉛，符合環保要求。

二、廣泛的應用場景

TPS25984x適用于多種需要高電流保護和電源管理的應用場景，包括但不限于：

• 輸入熱插拔和熱插拔：在服務器和高性能計算領域，設備的熱插拔功能至關重要。TPS25984x能夠有效保護電路，確保熱插拔過程的安全和穩定。
• 服務器和高性能計算：為服務器的電源模塊提供可靠的過流、短路和過壓保護，保障服務器的穩定運行。
• 網絡接口卡：在網絡設備中，對電源的穩定性和可靠性要求較高。該產品能夠滿足網絡接口卡的電源保護需求，提高網絡設備的性能。
• 圖形和硬件加速卡：圖形和硬件加速卡通常需要高電流供電，TPS25984x的高電流承載能力和保護功能能夠確保這些卡的正常工作。
• 數據中心交換機和路由器：數據中心的交換機和路由器需要高效、可靠的電源管理，該產品能夠提供必要的保護和管理功能，提高數據中心的運行效率。
• 風扇托盤：為風扇托盤的電源提供保護，確保風扇的正常運轉，維持設備的散熱需求。

三、產品詳細描述

1. 工作原理

TPS25984x通過監測VDD和IN總線，當電壓超過各自的欠壓保護（UVP）閾值后，等待插入延遲定時器時間，使電源穩定后再啟動。通過采樣EN/UVLO和SWEN引腳，高電平使內部MOSFET導通，允許電流從IN流向OUT；低電平則關閉MOSFET。啟動成功后，持續監測負載電流和輸入電壓，控制內部FET，確保不超過編程的過流閾值，切斷輸入過壓尖峰。

2. 功能模塊

• 欠壓保護：在VDD和VIN上實現欠壓鎖定，可通過EN/UVLO引腳的UVLO比較器外部調節保護閾值。
• 插入延遲：啟動時設置插入延遲，確保電源穩定后再開啟負載電源，防止系統出現意外行為。
• 過壓保護：IN引腳的OVP比較器使用固定的過壓保護閾值，輸入電壓超過閾值時，快速關閉功率FET；電壓下降后，以dVdt控制方式開啟FET。
• 浪涌、過流和短路保護：
  • 浪涌電流控制：通過調節dVdt引腳的電容，控制輸出上升壓擺率，降低浪涌電流。
  • 穩態過流保護：通過監測IMON引腳的電壓與IREF引腳的參考電壓比較，檢測過流情況。超過閾值且未超過短路閾值時，通過ITIMER引腳電容控制是否觸發斷路器動作。
  • 啟動時的有源電流限制：監測ILIM引腳電壓與參考電壓比較，超過閾值時調節負載電流，若溫度過高則關閉FET。
  • 短路保護：采用可調節的快速跳閘閾值，檢測到短路時快速觸發保護序列，防止電流過大。
• 模擬負載電流監測：IMON引腳提供與負載電流成比例的模擬電流，可轉換為電壓進行監測，用于高級動態平臺電源管理。
• 模式選擇：MODE引腳可將設備配置為初級或次級設備，改變部分引腳功能，適應不同的應用需求。
• 并行設備同步：SWEN引腳作為控制和握手信號，使多個并聯設備同步FET的開關狀態，確保系統的穩定性。
• 堆疊多個eFuse：多個TPS25984x設備并聯可提供更高的系統電流，通過特殊的電流共享機制，確保電流均勻分布，提高系統的可靠性和可擴展性。
• 模擬結溫監測：TEMP引腳提供與結溫成比例的模擬電壓，可用于監測芯片溫度，在多設備并聯時，可報告最熱設備的溫度。
• 過熱保護：內部熱關斷機制，當FET過熱時，TPS259840鎖存關閉，直到電源循環或重新啟用；TPS259841冷卻后自動重試開啟。
• 故障響應和指示：FLT引腳指示設備故障，不同故障有不同的響應方式，可通過電源循環或拉低EN/UVLO引腳清除內部鎖定的故障。
• 電源良好指示：PG引腳為高電平時，表示設備處于穩態且能提供最大功率，方便系統判斷設備狀態。
• 輸出放電：當EN/UVLO引腳電壓在特定范圍內保持一定時間時，激活輸出放電功能，快速清除輸出電容上的殘留電荷。
• FET健康監測：可檢測FET的D - S短路、G - D短路和G - S短路等故障，檢測到故障后關閉內部FET并發出故障指示。
• 單點故障緩解：針對IMON、ILIM、IREF和ITIMER引腳的單點故障，有相應的備份保護機制，確保設備在故障情況下仍能提供一定的保護。

四、應用與實現

1. 單設備獨立運行

將MODE引腳懸空，可配置為獨立運行模式。IREF引腳可由外部參考電壓源驅動；在主機MCU控制系統中，EN/UVLO可連接到GPIO引腳，IMON引腳電壓可通過ADC監測，主機MCU可通過DAC驅動IREF動態改變電流限制閾值；也可將ILIM和IMON引腳接地，IREF引腳懸空，作為簡單的高電流負載開關使用。

2. 多設備并聯連接

多個TPS25984x設備并聯可提供更高的電流能力。一個設備作為主設備，其他作為從設備。主設備和從設備的引腳連接方式有所不同，所有設備的IN、OUT、EN/UVLO、DVDT、SWEN、PG、IMON和IREF引腳需連接在一起。在啟動、浪涌和穩態等不同階段，設備能夠協同工作，實現電流共享和保護功能。

3. 與TPS25990x并聯連接

TPS25990x作為主設備，與多個TPS25984x從設備并聯，通過PMBus?接口實現數字遙測、控制和配置功能。主設備和從設備的引腳連接和功能分配遵循特定規則，確保系統的穩定運行。

4. 外部微控制器實現數字遙測

將TPS25984x與外部微控制器結合，可實現數字遙測、控制和配置功能。IMON連接到微控制器的ADC輸入，用于監測負載電流；EN/UVLO連接到GPIO，實現數字開關控制；PG和FLT引腳連接到GPIO，監測設備狀態；VIN和VOUT連接到ADC輸入，監測總線電壓；TEMP連接到ADC輸入，監測芯片溫度；IREF可連接到DAC輸出，動態改變參考電壓。

五、典型應用案例：數據中心服務器的12V、3.3kW電源路徑保護

1. 應用需求

設計一個12V系統，電壓容差±10%，最大穩態負載電流275A，允許16ms內的300A瞬態過載電流，持續過載則觸發斷路器并鎖存關閉。需為50mF的大容量電容充電，啟動時支持約10%的穩態負載。

2. 詳細設計步驟

• 確定并聯eFuse數量：根據單個TPS25984x在70°C環境下的最大穩態DC電流為55A，計算得出需要5個設備并聯。
• 配置主從設備：使用MODE引腳將一個設備配置為主設備，其他為從設備。
• 選擇DVDT電容：根據系統的負載情況和啟動時間要求，計算平均浪涌功率損耗，確保系統滿足啟動條件。通過公式計算所需的DVDT電容值，選擇合適的標準電容。
• 選擇IREF電阻：根據系統的電流監測和控制需求，設置IREF參考電壓，計算并選擇合適的IREF電阻，同時添加電容提高抗噪能力。
• 選擇IMON電阻：根據系統的過流保護閾值和IMON電流監測增益，計算并選擇合適的IMON電阻，添加電容降低噪聲。
• 選擇ILIM電阻：根據系統的電流共享和啟動電流限制需求，計算并選擇合適的ILIM電阻，確保啟動時的電流限制和穩態時的電流共享。
• 選擇ITIMER電容：根據瞬態過流消隱時間要求，計算并選擇合適的ITIMER電容，主設備使用電容，從設備ITIMER引腳懸空。
• 選擇電阻設置欠壓鎖定閾值：使用外部電阻分壓器網絡調節欠壓鎖定閾值，選擇合適的電阻值，添加電容降低噪聲。
• 選擇VIN和VDD之間的R - C濾波器：使用R - C濾波器為VDD提供穩定的電源，過濾噪聲，在并聯鏈中每個設備都需使用。
• 選擇SWEN、PG和FLT引腳的上拉電阻和電源：確保這些引腳的上拉電壓在合適范圍內，SWEN引腳的上拉電源需在設備啟用前可用。
• 選擇輸入TVS二極管和輸出肖特基二極管：為防止短路和過載時的電壓尖峰損壞設備，選擇合適的TVS二極管和肖特基二極管，滿足電流和電壓要求。
• 選擇CIN和Cout電容：添加陶瓷旁路電容穩定輸入和輸出電壓，CIN值應較小，Cout值可較大。

3. 應用曲線

通過實際測試，展示了輸入熱插拔、啟動、短路、瞬態過載和斷路器響應等不同情況下的波形，驗證了設計的有效性。

六、最佳設計實踐與建議

1. SWEN引腳電源

SWEN引腳需上拉到在設備啟用前已供電的電源軌，可選擇系統中的現有備用軌、LDO、齊納調節器或主eFuse的ITIMER引腳作為上拉電源。

2. PG引腳處理

PG引腳為開漏輸出，需上拉到外部電源，穩態時不要使其浮空或強制拉低，以免影響設備運行。

3. 電源供應

TPS25984x的IN和VDD引腳供電電壓范圍為4.5V至16V，建議在每個并聯設備的IN引腳使用至少0.1μF的電容，在VDD引腳使用R - C濾波器，過濾噪聲并在故障時維持控制器電源。

4. 瞬態保護

為防止短路或斷路器事件時的電壓尖峰損壞設備，可采取減少引線長度和電感、使用大PCB GND平面、添加TVS二極管和肖特基二極管、在IN和OUT引腳添加電容等措施。

5. 輸出短路測量

輸出短路測試結果受多種因素影響，難以獲得可重復和相似的結果，實際測試時需注意測試配置和方法。

6. 布局設計

• 電容放置：在IN和GND之間使用至少0.1μF的陶瓷去耦電容，在OUT和GND之間使用至少2.2μF的陶瓷去耦電容，放置位置應盡量靠近設備引腳，減少環路面積。
• 功率路徑連接：高電流功率路徑連接應盡量短，尺寸應能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND連接：GND引腳應連接到PCB的接地平面。
• 散熱設計：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。
• 支持組件布局：RILIM、RIMON、RIREF、CdVdT、CITIMER、CIN、COUT、CVDD和EN/UVLO引腳的電阻等支持組件應靠近其連接引腳，連接到GND引腳的走線應盡量短，減少寄生效應。
• 信號隔離：IMON、ILIM和IREF引腳的PCB走線應遠離噪聲信號，SWEN引腳應盡量減少寄生負載，保護設備應靠近被保護設備，走線應短，減少電感。

七、總結

TPS25984x系列產品以其豐富的功能、強大的保護能力和靈活的應用方式，為高電流電路的保護和管理提供了全面的解決方案。無論是在服務器、數據中心還是其他高性能應用中，都能夠發揮重要作用，提高系統的可靠性、穩定性和效率。在實際設計中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇和配置相關組件，遵循最佳設計實踐，以充分發揮該產品的優勢。你在使用TPS25984x的過程中遇到過哪些挑戰？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。