深入解析TPS1663x：60V工業eFuse的卓越性能與應用

在工業電子領域，可靠的電源保護和管理至關重要。TPS1663x系列60V工業eFuse以其豐富的功能和出色的性能，成為眾多應用場景中的理想選擇。本文將深入探討TPS1663x的特點、功能、應用及設計要點。

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一、TPS1663x概述

TPS1663x是德州儀器（TI）推出的一款60V工業eFuse，適用于4.5V至60V的電源系統。它集成了31mΩ的FET，為負載、電源和自身提供了強大的保護功能。同時，具備多種可調節特性，如精確的過流保護、快速短路保護、輸出壓擺率控制、過壓保護和欠壓鎖定等。

1.1 主要特性

• 寬電壓范圍：工作電壓范圍為4.5V至60V，絕對最大電壓可達67V，能適應多種工業電源環境。
• 集成FET：內置60V、31mΩ的熱插拔FET，降低了外部元件的需求。
• 可調節電流限制：電流限制可在0.6A至6A之間調節，精度為±7%，能有效保護電路。
• 低靜態電流：關機狀態下靜態電流僅為21μA，降低了功耗。
• 可調節輸出功率限制（僅TPS16632）：精度為±6%，有助于滿足特定的功率要求。
• 可調節UVLO和OVP：精度為±2%，能精確控制欠壓和過壓保護閾值。
• 輸出壓擺率控制：可調節輸出壓擺率，限制浪涌電流。
• Power Good輸出：用于指示內部FET的狀態，方便系統監控。
• 可選過流故障響應：支持自動重試和鎖定關閉兩種模式。
• 模擬電流監控輸出：精度為±6%，可實時監控電流。
• 認證與安全：獲得UL 2367和IEC 62368 - 1認證，具備功能安全能力。

1.2 應用領域

• 工廠自動化和控制：如PLC、DCS、HMI、I/O模塊和傳感器集線器等。
• 電機驅動：用于CNC和編碼器電源。
• 電子斷路器：提供可靠的過流保護。
• 電信無線電：保障電源的穩定性。
• 工業打印機：確保設備的正常運行。

二、功能特性詳解

2.1 熱插拔和浪涌電流控制

當將卡片插入帶電背板或其他熱電源時，TPS1663x能有效控制浪涌電流，減少背板電源電壓的下降，避免系統意外復位。通過在dVdT引腳連接外部電容，可以定義上電時輸出電壓的壓擺率。若將dVdT引腳浮空，可實現最快24V/500μs的輸出壓擺率。浪涌電流可通過公式 (I = C × frac{dV}{dT} geq I(INRUSH) = C(OUT) × frac{V(N)}{t{dVdT}}) 計算，其中 (t{dVdT} = 20.8 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)})。

2.2 欠壓鎖定（UVLO）

TPS1663x具備精確的±2%可調節欠壓鎖定功能。當UVLO引腳電壓低于 (V(UVLOF)) 時，內部FET迅速關閉，并通過FLT引腳發出故障信號。UVLO比較器具有78mV（典型值）的遲滯。通過連接電阻分壓器網絡，可以設置輸入UVLO閾值。若不需要該功能，UVLO引腳必須連接到IN引腳，且不能浮空。

2.3 過壓保護（OVP）

TPS16630具有精確的±2%可調節過壓切斷功能，當OVP引腳電壓超過 (V(OVPR)) 時，內部FET關閉，保護下游負載。TPS16632則具備內部固定的39V最大過壓鉗位功能，當輸入電壓超過40V時，將輸出電壓鉗位在 (V(OVC))。為避免長時間過壓導致器件過熱，內部FET在過壓鉗位模式下的最大持續時間為 (t_{ovc(dly)})（典型值為162ms）。

2.4 過載和短路保護

2.4.1 過載保護

TPS1663x能精確限制過載電流，并提供快速短路保護。當負載電流超過編程的電流限制 (I{OL}) 時，器件將電流調節在 (I{OL})，同時降低輸出電壓。在過載期間，器件的功耗為 ((V{IN} - V{OUT}) × I{OL})，可能導致器件進入熱關斷狀態。過流通過FET的最大持續時間為 (t{CL_PLIM(dly)})（典型值為162ms）。若在該時間內發生熱關斷，內部FET將關閉，器件根據MODE引腳配置進入自動重試或鎖定關閉模式。

2.4.2 短路保護

在輸出短路事件中，器件電流迅速增加。由于電流限制放大器帶寬有限，無法快速響應，因此采用了快速跳閘比較器。該比較器能在輸出短路時快速關閉內部FET（典型值為1μs），閾值為 (I{(SCP)} = 45A)。快速跳閘電路將內部FET關閉幾微秒后，器件緩慢重新開啟，使電流限制環路將輸出電流調節到 (I{(OL)})。

2.5 輸出功率限制（僅TPS16632）

在一些高功率應用中，如電氣工業過程控制設備，需要限制輸出功率以滿足安全標準。TPS16632集成了可調節輸出功率限制功能，通過在PLIM引腳連接電阻到GND，可以設置輸出功率限制值。在過功率負載事件中，TPS16632將輸出功率限制在編程值，間接使器件進入電流限制模式。器件在功率限制模式下的最大持續時間為 (t_{CL_PLIM(dly)})（典型值為162ms），之后根據MODE引腳配置進入自動重試或鎖定關閉模式。

2.6 電流監控輸出（IMON）

TPS1663x具備精確的模擬電流監控輸出。IMON引腳的電流源與從IN到OUT的電流成正比，通過連接電阻 (R{(IMON)}) 到GND，可以將電流轉換為電壓，用于監控系統電流。監控電流的最大電壓 (V{(IMONmax)}) 限制為4V，這限制了 (R_{(IMON)}) 的最大值，可通過公式 (V(IMON) = [I(OUT) × GAIN(IMON)] × R(IMON)) 計算。

2.7 故障響應（FLT）

FLT為開漏輸出，在欠壓、過壓、過載、功率限制、ILIM引腳短路和熱關斷等故障事件時，該引腳會拉低（有效低電平）。器件采用內部去毛刺電路，避免了虛假故障報告。當不需要使用FLT引腳時，可以將其浮空或連接到GND。

2.8 電源良好輸出（PGOOD）

PGOOD為開漏輸出，用于指示內部FET的狀態。當內部FET的柵極增強時，PGOOD引腳為高電平；在故障事件或SHDN引腳拉低時，PGOOD引腳為低電平。PGOOD引腳的上升沿和下降沿有去毛刺功能，典型值分別為11.5ms和10ms。PGOOD引腳額定電壓為60V，可以通過電阻上拉到IN或OUT。

2.9 熱關斷

當器件的結溫超過 (T_{(TSD)})（典型值為165°C）時，內置的過熱關斷電路將保護內部FET。熱關斷事件發生后，根據MODE引腳配置，器件可以進入鎖定關閉或自動重試模式。在熱關斷期間，故障引腳FLT拉低以指示故障狀態。

2.10 低電流關機控制（SHDN）

通過將SHDN引腳拉低至0.8V以下，可以關閉內部和外部FET，從而切斷負載電流。關機狀態下，器件的靜態電流降至21μA（典型值）。要使器件啟用，SHDN引腳必須拉高至至少2V。

三、應用與設計

3.1 典型應用

3.1.1 編程電流限制閾值 (R_{(ILIM)}) 選擇

通過公式 (R{(LIM)} = frac{18}{I{OL}}) 計算，選擇最接近的標準1%電阻值 (R_{(ILIM)} = 18kΩ)。

3.1.2 欠壓鎖定和過壓設定點

使用外部電阻分壓器網絡 (R{1})、(R{2}) 和 (R{3}) 連接在IN、UVLO、OVP和GND引腳之間，通過公式 (V(OVPR) = frac{R{3}}{R{1} + R{2} + R{3}} × V(OV)) 和 (V(UVLOR) = frac{R{2} + R{3}}{R{1} + R{2} + R{3}} × V(UV)) 計算所需電阻值。選擇 (R{3} = 20.5kΩ)，計算得到 ((R{1} + R{2}) = 930kΩ)，再計算得到 (R{2} = 43kΩ)，(R_{1} = 887kΩ)。

3.1.3 設置輸出電壓上升時間 (t_{dVdT})

使用公式 (I = C × frac{dV}{dT} geq I(INRUSH) = C(OUT) × frac{V(N)}{t{dVdT}}) 和 (t{dVdT} = 20.8 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)}) 計算所需的 (C{(dVdT)})，得到 (C{(dVdT)} = 22nF)。

3.2 電源供應建議

TPS1663x eFuse適用于4.5V至60V的電源電壓范圍。若輸入電源與器件距離較遠，建議使用大于0.1μF的輸入陶瓷旁路電容。電源的額定電流應大于設定的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現電壓下降。

3.3 瞬態保護

在短路和過載電流限制時，器件中斷電流流動會導致輸入和輸出產生電壓尖峰。為解決這一問題，可以采取以下措施：

• 盡量減小器件輸入和輸出的引線長度和電感。
• 使用大面積的PCB GND平面。
• 在輸出和GND之間使用肖特基二極管吸收負尖峰。
• 使用約0.1μF的低值陶瓷電容吸收能量并抑制瞬態。
• 對于一些應用，可能需要額外的瞬態電壓抑制器（TVS）。

3.4 布局指南

• 在IN端子和GND之間使用0.1μF或更高值的陶瓷去耦電容。
• 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。
• 將所有支持組件（如 (R{(ILIM)})、(R{(PLIM)})、(C{(dVdT)})、(R{(IMON)})、UVLO和OVP電阻）靠近其連接引腳放置，并將組件的另一端以最短的走線連接到GND。
• 保護器件（如TVS、緩沖器、電容或二極管）應靠近被保護的器件放置，并使用短走線以減少電感。
• 對于PowerPAD封裝，應將其直接焊接到電路板的GND平面，以提高散熱能力。

四、總結

TPS1663x系列60V工業eFuse憑借其豐富的功能、出色的性能和可靠的保護機制，為工業電子系統提供了強大的電源管理解決方案。無論是在工廠自動化、電機驅動還是電信等領域，TPS1663x都能滿足各種應用需求。在設計過程中，合理選擇組件值、注意電源供應和布局等方面，能夠充分發揮TPS1663x的優勢，確保系統的穩定性和可靠性。你在使用TPS1663x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。