TPS25947xx eFuse：多功能電源保護與管理的理想之選

在電子設備的設計中，電源保護和管理至關重要。德州儀器（TI）的 TPS25947xx 系列 eFuse 為我們提供了一個高度集成的解決方案，能夠有效應對各種電源相關的挑戰。本文將詳細介紹 TPS25947xx 的特點、應用以及設計要點，幫助電子工程師更好地了解和使用這款產品。

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一、產品概述

TPS25947xx 是一款 2.7 - 23V、5.5A 的 eFuse，采用小型封裝，提供了多種保護模式，僅需極少的外部組件。它能有效抵御過載、短路、電壓浪涌、反極性和過大的浪涌電流，適用于多種應用場景，如電源多路復用/ORing、適配器輸入保護、USB PD 保護等。

二、產品特性

1. 寬輸入電壓范圍

該器件的輸入電壓范圍為 2.7V 至 23V，絕對最大電壓可達 28V，還能承受高達 - 15V 的負電壓，這使得它在不同的電源環境下都能穩定工作。

2. 低導通電阻與理想二極管功能

集成了背靠背 FET，典型導通電阻 (R_{ON}=28.3 mΩ)，能夠實現真正的反向電流阻斷，如同理想二極管一樣工作，有效防止反向電流對電路造成損害。

3. 快速保護功能

• 過壓保護：具有過壓鉗位（OVC）和可調過壓鎖定（OVLO）兩種模式。OVC 可通過引腳選擇閾值（3.8V、5.7V、13.8V），響應時間為 5μs（典型值）；OVLO 的響應時間為 1.2μs（典型值）。
• 過流保護：提供負載電流監測輸出（ILM），具有主動電流限制或斷路器選項，過流閾值 (I{LIM}) 可在 0.5A - 6A 之間調節，精度為 ±10%（(I{LIM}>1A)）。還設有可調瞬態消隱定時器（ITIMER），允許峰值電流達到 (2 ×I_{LIM})。
• 短路保護：快速跳閘響應時間為 500ns（典型值），具有可調（(2 ×I_{LIM})）和固定閾值。

4. 其他特性

• 具有可調的欠壓鎖定閾值（UVLO）和輸出壓擺率控制（dVdt）。
• 具備過溫保護功能，當芯片溫度超過安全范圍時，會自動關閉以保護器件。
• 提供數字輸出，如優先級電源 MUX 控制（AUXOFF）、故障指示（FLT）或電源良好指示（PG），方便系統監控和控制。
• 獲得 UL 2367 認證（文件編號 E339631）和 IEC 62368 - 1 CB 認證。
• 采用 2mm × 2mm、0.45mm 間距的 QFN 封裝，節省電路板空間。

三、應用場景

1. 電源 MUX/ORing

在冗余電源系統中，TPS25947xx 可以實現電源的無縫切換和 ORing 功能，確保系統的可靠性和穩定性。其線性 ORing 機制能有效防止反向電流，減少電壓降和功率損耗。

2. 適配器輸入保護

保護設備免受適配器輸入電壓波動、過壓、過流等問題的影響，延長設備的使用壽命。

3. USB PD 保護

適用于 PC、筆記本電腦、顯示器、擴展塢等設備的 USB PD 端口保護，提供過流和短路保護，同時支持快速角色交換（FRS）功能。

4. 服務器、PC 主板和附加卡

為這些設備的電源系統提供可靠的保護，確保系統的穩定運行。

5. 企業存儲

如 RAID、HBA、SAN、eSSD 等企業存儲設備，需要穩定的電源供應，TPS25947xx 可以有效保護這些設備免受電源故障的影響。

6. 患者監護儀

在醫療設備中，對電源的穩定性和安全性要求極高，TPS25947xx 能夠滿足這些要求，保障設備的正常運行。

四、設計要點

1. 引腳功能與配置

TPS25947xx 具有多個引腳，每個引腳都有特定的功能。例如，EN/UVLO 引腳用于使能設備并調節欠壓鎖定閾值；OVLO/OVCSEL 引腳用于調節過壓鎖定閾值或選擇過壓鉗位閾值；ILM 引腳用于限制和監測輸出電流等。在設計時，需要根據具體應用需求正確配置這些引腳。

2. 過壓和欠壓保護設置

• 欠壓鎖定（UVLO）：可以通過電阻分壓器調節 UVLO 閾值，確保設備在輸入電壓過低時能夠自動關閉，保護設備安全。
• 過壓鎖定（OVLO）：對于 TPS259470x/4x 變體，可以通過電阻分壓器調節 OVLO 閾值，當輸入電壓超過設定值時，設備會關閉輸出。

3. 浪涌電流和過流保護

• 壓擺率控制（dVdt）：通過在 dVdt 引腳連接電容，可以控制輸出上升壓擺率，降低浪涌電流。計算公式為 (SR(V / ms)=frac{I{INRUSH}(mA)}{C{OUT }(mu F)}) 和 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V / ms)})。
• 過流保護：通過調節 ILM 引腳的電阻 (R{ILM}) 可以設置過流閾值 (I{LIM})，計算公式為 (R{ILM }(Omega)=frac{3334}{I{LIM}(A)})。同時，通過 ITIMER 引腳的電容可以調節過流消隱間隔，計算公式為 (t{TIMER} (ms)=frac{Delta V{ITIMER }(V) × C{ITIMER }(nF)}{I{ITIMER }(mu A)})。

4. 布局注意事項

• 在 PCB 布局時，需要注意以下幾點：
  • 在 IN 端子和 GND 端子之間添加 0.1μF 或更大的陶瓷去耦電容，并盡量靠近器件的 IN 和 GND 端子，以減少旁路電容連接、IN 端子和 IC 的 GND 端子形成的環路面積。
  • 高電流承載的電源路徑連接應盡可能短，并確保能夠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，作為所有關鍵模擬信號的安靜接地參考。
  • 將 (R{ILM})、(C{dVdt})、(C_{ITIMER}) 以及用于 EN/UVLO、OVLO/OVCSEL 和 PGTH 引腳的電阻等支持組件靠近其連接引腳放置，并將組件的另一端通過最短的走線連接到器件的 GND 引腳，以減少寄生效應。同時，要確保 ILM 引腳的寄生電容小于 50pF，以保證穩定運行。
  • 保護器件（如 TVS、緩沖器、電容或二極管）應靠近需要保護的器件放置，并使用短走線以減少電感。

五、總結

TPS25947xx 系列 eFuse 以其豐富的功能、可靠的保護性能和緊湊的封裝，為電子工程師提供了一個優秀的電源保護和管理解決方案。在設計過程中，我們需要根據具體的應用需求合理配置引腳、設置保護閾值，并注意 PCB 布局，以充分發揮該器件的優勢，確保系統的穩定性和可靠性。你在使用 TPS25947xx 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。