TPS25946xx eFuse：電子工程師的可靠電源保護方案

在電子設備的設計中，電源保護是至關重要的一環。德州儀器（Texas Instruments）的 TPS25946xx 系列 eFuse 為電源保護提供了一個高度集成的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款 eFuse 的特點、應用以及設計要點。

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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占位面積。它能夠提供多種保護模式，使用極少的外部組件，是應對過載、短路、電壓浪涌和過大浪涌電流的強大防線。其集成的背對背 FET 允許在導通狀態下雙向電流流動，而在關斷狀態下則阻止兩個方向的電流流動，非常適合 USB OTG（On - The - Go）應用。

主要特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.7V 至 23V，絕對最大電壓為 28V，適應多種電源環境。
2. 低導通電阻： (R_{ON}=28.3 mΩ)（典型值），減少功率損耗。
3. 雙向電流支持：導通狀態下雙向電流流動，關斷狀態下反向電流阻斷。
4. 快速過壓保護：可調過壓鎖定（OVLO），響應時間為 1.2μs（典型值）。
5. 過流保護：正向過流保護，帶有負載電流監測輸出（ILM），可調閾值（(I{LIM})）為 0.5A 至 6A，精度為 ±10%（(I{LIM}>1A)）。
6. 可調輸出壓擺率和浪涌電流控制：通過單個外部電容調整。
7. 過熱保護：內置熱傳感器，超過安全溫度時自動關斷。
8. 數字指示選項：電源良好指示（PG）、電源供應良好（SPLYGD）和故障（FLT）指示。
9. 認證：UL 2367 認證（文件編號 E339631 - (R_{ILM} ≥549Ω)），IEC 62368 - 1 CB 認證。

二、功能詳解

1. 欠壓鎖定（UVLO 和 UVP）

TPS25946xx 在輸入電壓過低時實施欠壓保護，默認鎖定閾值為 (V{UVP})，可通過 EN/UVLO 引腳的 UVLO 比較器外部調整。使用電阻分壓器可以設置 UVLO 設定點，公式為 (V{IN(UV)}=frac{V_{UVLO}×(R1 + R2)}{R2})。

2. 過壓鎖定（OVLO）

用戶可以通過 OVLO 引腳的比較器調整過壓保護閾值。當 OVLO 引腳電壓超過上升閾值 (V{OV(R)}) 時，設備關閉輸出電源；當電壓降至下降閾值 (V{OV(F)}) 以下時，輸出電源重新開啟。設置 OVLO 設定點的公式為 (V{IN(OV)}=frac{V{OV}×(R1 + R2)}{R2})。

3. 浪涌電流、過流和短路保護

• 可調壓擺率（dVdt）：通過連接電容到 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)})。
• 可調過流閾值（(I_{LIM})）：通過 ILM 引腳電阻 (R{ILM}) 設置，公式為 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)})。
• 可調快速跳閘閾值（(I_{SC})）：等于 (2×I_{LIM})，用于應對嚴重過流。
• 固定快速跳閘閾值（(I_{FT})）：用于穩態下的硬輸出短路保護。

4. 模擬負載電流監測

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，用戶可以通過測量 (R{ILM}) 兩端的電壓 (V{ILM}) 來監測輸出負載電流，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

集成的背對背 MOSFET 在設備斷電或禁用狀態下，阻止正向和反向電流流動。

6. 過熱保護（OTP）

持續監測內部管芯溫度 (T{J})，超過安全溫度（TSD）時關閉設備，直到溫度降至（TSD - (TSD{HYS})）以下。TPS25946xL 鎖存關閉，需電源循環或重新啟用；TPS25946xA 自動重試。

7. 故障響應和指示（FLT）

TPS259461x 變體提供一個低電平有效的外部故障指示（FLT）引腳，總結了設備對各種故障條件的響應。

8. 電源良好指示（PG）

TPS259460x 變體提供一個高電平有效的數字輸出（PG），作為電源良好指示信號，根據 PGTH 引腳電壓和設備狀態信息進行斷言。

9. 輸入電源良好指示（SPLYGD）

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

三、應用場景

TPS25946xx 適用于多種應用，如智能手機、平板電腦、數碼相機、銷售點終端、USB OTG 設備和無線充電器等。在智能手機的 USB OTG 應用中，它可以作為雙向電源開關，提供過壓和過流保護，同時支持電池充電和向外部配件供電。

四、設計示例

以智能手機 USB OTG 端口保護設計為例，介紹詳細的設計步驟：

1. 設計要求

2. 詳細設計步驟

• 設備選擇：選擇 TPS259460A 變體。
• 設置過壓閾值：使用電阻 R1 和 R2 設置，公式為 (V{IN(OV)}=frac{V{OV(R)}×(R1 + R2)}{R2})，選擇 (R1 = 470kΩ)，計算得 (R2 = 44.2kΩ)。
• 設置輸出電壓上升時間：計算所需壓擺率 (SR(V/ms)=frac{V{IN}(V)}{t{R}(ms)} = 1.8V/ms)，計算 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V/ms)} = 1111pF)，選擇 1100pF 電容。
• 設置電源良好斷言閾值：使用電阻 R3 和 R4 設置，公式為 (V{PG}=frac{V{PGTH(R)}×(R3 + R4)}{R4})，選擇 (R3 = 100kΩ)，計算得 (R4 = 36.5kΩ)。
• 設置過流閾值：使用 (R{ILM}) 電阻設置，公式為 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)} = 1025.8Ω)，選擇 1050Ω 電阻。
• 設置過流消隱間隔：使用 (C{ITIMER}) 電容設置，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、能夠支持初始負載電流和小尺寸。

五、電源供應建議

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

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 端子應通過最短的走線連接到 PCB 接地平面，建議為 eFuse 設置單獨的接地平面島。
• IN 和 OUT 引腳用于散熱，應盡可能連接到 PCB 頂層和底層的銅面積，并添加熱過孔。
• 支持組件應靠近其連接引腳，連接到 GND 引腳的走線應盡可能短，以減少寄生效應。
• 保護設備應靠近被保護的設備，走線應短以減少電感。

七、總結

TPS25946xx eFuse 為電子工程師提供了一個功能強大、集成度高的電源保護解決方案。通過合理的設計和布局，可以確保設備在各種復雜的電源環境下穩定運行。在實際應用中，我們需要根據具體的需求和設計要求，選擇合適的參數和組件，為電子設備提供可靠的電源保護。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。