TPS25982：智能eFuse的卓越性能與應用解析

在電子設備的設計中，電源管理和電路保護至關重要。德州儀器（TI）的TPS25982系列智能eFuse為這一領域帶來了強大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入探討一下TPS25982的特性、應用以及設計要點。

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一、TPS25982概述

TPS25982是一款高度集成的電路保護和電源管理解決方案，采用小巧的4mm × 4mm QFN封裝。它能在2.7V至24V的寬輸入電壓范圍內工作，絕對最大輸入電壓可達30V，適用于多種不同電壓和電流需求的系統。

（一）主要特性

1. 低導通電阻：典型導通電阻 (R_{ON}=2.7mΩ)，能有效降低功率損耗，提高系統效率。
2. 可調電流限制：電流限制閾值可在2A至15A范圍內調節，精度在 (I_{LIM }>5A) 時典型為± 8%，能根據不同應用需求靈活設置。
3. 多種保護功能
   • 過壓保護：有多種固定過壓閾值可供選擇，包括3.7V、7.6V、16.9V以及無過壓鎖定（OVLO）選項，能有效保護負載免受輸入過壓的影響。
   • 過流保護：具備可調過流消隱定時器，可處理負載瞬變而不觸發跳閘；還提供斷路器和電流限制器兩種選項，能快速響應過流故障。
   • 短路保護：快速跳閘響應時間典型小于400ns，經過100萬次電源短路事件測試，且對線路瞬變免疫，不會誤跳閘。
   • 欠壓鎖定：可調節欠壓鎖定閾值，確保在輸入電壓過低時關閉輸出，保護下游負載。
   • 過溫保護：集成過溫保護功能，當內部溫度超過安全范圍時自動關閉，保護器件。
4. 精確的電流監測：模擬輸出負載電流監測功能，精度在 (I_{OUT}>3A) 時典型為± 1.5%，能實時準確地監測負載電流。
5. 用戶可配置的故障響應：可選擇鎖存關閉或自動重試模式，還能設置重試次數（有限或無限）和重試間隔，方便應對不同的故障情況。
6. 可調輸出壓擺率控制：通過連接外部電容到dVdt引腳，可調節輸出壓擺率，控制浪涌電流。
7. 電源良好指示：PG引腳提供電源良好指示，方便系統監控電源狀態。
8. 可調負載檢測和握手定時器：LDSTRT引腳可用于負載檢測和握手功能，增加系統對負載供電的控制靈活性。
9. 認證齊全：獲得UL 2367認證（文件編號E339631）和IEC 62368 CB認證，確保產品的安全性和可靠性。

二、應用領域

TPS25982適用于多種應用場景，以下是一些典型應用：

1. 熱插拔和熱插拔保護：可用于服務器備用電源軌、PCIe擴展卡、附加卡和風扇模塊的保護，確保在熱插拔過程中設備的安全。
2. 路由器和交換機光模塊保護：為光模塊提供過流、過壓等保護，保證光通信系統的穩定運行。
3. 工業PC：在工業環境中，為工業PC提供可靠的電源管理和保護，提高設備的穩定性和可靠性。
4. 數字電視：用于數字電視的電源管理，確保電視的正常運行。

三、詳細功能解析

（一）欠壓保護（UVLO和UVP）

TPS25982通過內部的欠壓保護電路，在輸入電壓過低時關閉輸出，保護下游負載。同時，還可以通過EN/UVLO引腳的電阻分壓器設置用戶自定義的欠壓保護閾值。在設計時，要注意電阻的選擇，既要保證電阻足夠大以減少電源到地的恒定泄漏電流，又要使電阻網絡中的電流比EN/UVLO引腳的泄漏電流大20倍以上，以減少電阻分壓器比例的誤差。

（二）過壓保護（OVP）

當輸入電壓超過過壓保護閾值 (V{OVP(R)}) 時，設備會在 (t{OVP}) 時間內關閉輸出。只要過壓條件存在，設備就會保持禁用狀態，直到輸入電壓恢復到正常工作范圍才會嘗試重新啟動。TPS25982提供多種固定過壓閾值的選項，方便用戶根據不同需求選擇。

（三）浪涌電流、過流和短路保護

1. 壓擺率和浪涌電流控制（dVdt）：在熱插拔或對大輸出電容充電時，可能會產生大的浪涌電流。TPS25982通過集成的輸出壓擺率（dVdt）控制來管理啟動時的浪涌電流?？梢酝ㄟ^連接外部電容到dVdt引腳來控制上升壓擺率，降低浪涌電流。公式 (SR(V / ms)=frac{INRUSH(mA)}{C{OUT}(mu F)}) 可用于計算限制浪涌電流所需的壓擺率，公式 (C{dVdt}(pF)=frac{4600}{SR(V / ms)}) 可用于計算產生給定壓擺率所需的 (C_{dVdt}) 電容值。
2. 斷路器（Circuit Breaker）：TPS25982xO（斷路器）變體在輸出過流時，會在用戶可調的瞬態故障消隱間隔后關閉輸出。當負載電流超過編程的電流限制閾值 (I{LIM}) 但低于快速跳閘閾值（2.1 × (I{LIM})）時，設備會開始通過內部下拉電流 (I{ITIMER}) 對ITIMER引腳電容放電。如果負載電流在ITIMER電容電壓下降 (Delta V{ITIMER}) 之前降至電流限制閾值以下，斷路器不會動作；否則，斷路器會立即關閉FET?？梢允褂霉?(R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計算所需的 (R_{ILIM}) 值。
3. 主動電流限制（Active Current Limiting）：TPS25982xL（電流限制器）變體在輸出過流時，會在用戶可調的故障消隱間隔后主動將電流調節到設定的限制值。當負載電流超過編程的電流限制閾值 (I{LIM}) 但低于快速跳閘閾值（2.1 × (I{LIM})）時，設備會開始對ITIMER引腳電容放電。如果負載電流在ITIMER電容電壓下降 (Delta V{ITIMER}) 之前降至電流限制閾值以下，電流限制不會動作；否則，設備會調節FET柵極電壓，將輸出電流限制在設定的 (I{LIM}) 水平。同樣可以使用公式 (R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計算所需的 (R_{ILIM}) 值。
4. 短路保護：當檢測到輸出短路時，內部快速跳閘比較器會在 (t{SC}) 時間內關閉輸出?？焖偬l閾值為2.1 × (I{LIM})，用戶可根據系統需求調整。在快速跳閘事件后，設備會以電流限制模式重新啟動，嘗試恢復對負載的供電。如果故障持續存在，設備會進入熱關斷狀態。

（四）過溫保護（OTP）

設備會實時監測內部芯片溫度 (T_{J})，當溫度超過安全工作水平（TSD）時，會立即關閉設備，防止設備損壞。只有當芯片溫度降至（TSD - TSDHys）以下時，設備才會根據配置選擇保持鎖存關閉或自動重啟。

（五）模擬負載電流監測（IMON）

IMON引腳提供與FET電流成比例的模擬電流，用戶可以通過連接電阻將其轉換為電壓信號，用于監測輸出負載電流。內部放大器采用基于斬波的失調消除技術，即使在較低電流和不同溫度下也能提供準確的測量。建議將IMON引腳的最大電壓限制在推薦值范圍內，并添加RC低通濾波器以過濾干擾，獲得平滑的平均電流測量值。

（六）電源良好（PG）

PG是一個高電平有效、開漏輸出的引腳，用于指示FET是否完全導通以及輸出電壓是否達到最大值。上電后，PG引腳初始為低電平，當FET柵極電壓達到（(V{IN}+3.6V)）時，PG引腳在消隱時間 (t{PGD}) 后被置高。在正常運行時，如果 (V{OUT}) 低于（(V{IN}-V{PGTHD})），PG引腳會在消隱時間 (t{PGD}) 后被置低。

（七）負載檢測/握手（LDSTRT）

LDSTRT引腳為下游負載電路提供了一種向TPS25982指示負載存在并成功上電的機制。當TPS25982完成啟動序列且輸出達到滿電壓時，會斷言PG信號，并開始通過內部電流源 (I{LDSTRT}) 對LDSTRT引腳電容 (C{LDSTRT}) 充電。如果LDSTRT引腳電壓在負載電路將其拉低之前上升超過 (V{LDSTRT})，TPS25982會檢測到LDSTRT故障并關閉FET?？梢允褂霉?(LDSTRT(ms)=frac{C{LDSTRT}(nF) × V{LDSTRT}(V)}{I{LDSTRT}(mu A)}) 計算觸發LDSTRT故障的時間。

四、應用設計實例

（一）數據中心服務器備用電源軌保護

以數據中心服務器備用電源軌保護為例，設計要求如下：

• 輸入電壓 (V_{IN}=12V)
• 欠壓鎖定設定點 (V_{IN UVLO}=10.8V)
• 最大負載電流 (I_{OUT}=12A)
• 電流限制 (I_{LIM}=15A)
• 瞬態過流消隱間隔 (t_{ITIMER}=2ms)
• 負載電容 (C_{OUT}=1.4mF)
• 啟動時負載 (R_{L(SU)}=10Ω)
• 輸出電壓上升時間 (T_{dVdt}=20ms)
• 最大環境溫度 (T_{A}=70°C)
• LDSTRT握手延遲 (t_{LDSTRT}=60ms)
• 重試延遲 (t_{RETRY_DLY}=100ms)
• 重試次數 (N_{RETRY}=4)

設計步驟如下：

1. 設備選擇：根據設計要求，選擇TPS259824O變體。
2. 設置電流限制閾值 (R_{ILIM})：使用公式 (R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計算 (R{ILIM}) 值，對于 (I{LIM}=15A)，計算得到 (R_{ILIM}=98.05Ω)，選擇最接近的標準值100Ω，1%。
3. 設置欠壓鎖定設定點：使用外部電阻分壓器 (R{VL 1}) 和 (R{VL 2}) 調整欠壓鎖定（UVLO）跳閘點。從設備電氣規格可知，UVLO上升閾值 (V{UVLO(R)}=1.2V)，根據設計要求 (V{IN UVLO}=10.8V)，選擇 (R{VL 1}=1MΩ)，使用公式 (V{IN UVLO}=frac{V{UVLO(R)} × (R{VL 1}+R{VL 2})}{R{VL 2}}) 計算得到 (R{VL 2}=125kΩ)，選擇最接近的標準1%電阻值 (R{VL 1}=1MΩ)，(R_{VL 2}=125kΩ)。
4. 選擇電流監測電阻 (R_{IMON})：根據公式 (R{IMON}(Omega)=frac{V{IMONmax}(V)}{I{OUTmax}(A) × 246 × 10^{-6}}) 計算 (R{IMON}) 值，對于 (I{LIM}=15A) 和ADC工作范圍為0V至3.3V，計算得到 (R{IMON}=894Ω)，選擇最接近的標準值887Ω，1%。
5. 設置輸出電壓上升時間 (T_{dVdt})：根據設計要求，輸出電壓需要在20ms內上升，對于12V電源軌，需要0.6V/ms的壓擺率。使用公式 (C{dVdt}(pF)=frac{4600}{SR(V / ms)}) 計算得到 (C{dVdt}=7666pF)，考慮到啟動時dVdt電容承受的電壓較高，建議選擇比計算值高20%的電容，即9.2nF，選擇最接近的10%標準值10nF。該電容設置的壓擺率為0.46V/ms，輸出上升時間 (T_{dVdt}=26ms)。
6. 設置負載握手（LDSTRT）延遲：使用公式 (C{LDSTRT}=I{LDSTRT} × frac{t{LDSTRT}}{V{LDSTRT}}) 計算 (C{LDSTRT}) 值，對于60ms的握手延遲，計算得到 (C{LDSTRT}=0.1μF)，選擇最接近的標準值0.1μF，10%。
7. 設置瞬態過流消隱間隔 (t_{ITIMER})：使用公式 (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms)}{0.47}) 計算 (C{ITIMER}) 值，對于2ms的消隱間隔，計算得到 (C{ITIMER}=4.255nF)，選擇最接近的標準值4.7nF，10%。
8. 設置自動重試延遲和重試次數：使用公式 (C{RETRY_DLY}(pF)=frac{t{RETRY_DLY}(mu S)}{46.83}-4pF) 計算 (C{RETRY_DLY}) 值，對于100ms的自動重試延遲，計算得到 (C{RETRY_DLY}=2131.38pF)，選擇最接近的標準值2.2nF，10%。使用公式 (N{RETRY}=frac{4 × C{NRETRY}(pF)+4pF}{C{RETRY_DLY}(pF)+4pF}) 計算 (C{NRETRY}) 值，對于重試4次的要求，計算得到 (C_{NRETRY}<2204pF)，選擇最接近的標準值2.2nF，10%。

（二）光模塊電源軌路徑保護

光模塊在高帶寬數據通信系統中廣泛應用，對電源的穩定性和保護要求較高。TPS25982可用于光模塊電源軌路徑保護，設計要求如下：

• 輸入電壓 (V_{IN}=3.3V)
• 過壓鎖定 (V_{OVP}=3.7V)
• 路徑最大電壓降 ± 5%
• 最大負載電流 (I_{OUT}=5.5A)
• 電流限制 (I_{LIM}=7A)
• 瞬態過流消隱間隔 (t_{ITIMER}=6ms)
• 負載電容 (C_{OUT}=10μF)
• 最大環境溫度 (T_{A}=85°C)
• 模塊存在檢測 ModPrsL 功能
• 重試延遲 (t_{RETRY_DLY}=200μs)
• 重試次數 (N_{RETRY}=4)

設計步驟如下：

1. 設備選擇：選擇TPS259822O變體，設置過壓保護為3.7V。
2. 外部組件設置
   • (R_{ILIM}=210Ω)，用于設置7A的電流限制。
   • (C_{ITIMER}=15nF)，用于設置6ms的故障消隱時間。
   • (R{IMON}=1910Ω)，用于將IMON引腳最大電壓 (V{IMON}) 設置在ADC范圍3.3V內。
   • (C_{dVdt}) 電容選擇3.3nF。
   • 將RETRY_DLY和NRETRY引腳留空，設置最小自動重試延遲為200μs，重試次數為4。

五、電源供應和布局建議

（一）電源供應建議

TPS25982設計用于2.7V至24V的電源電壓范圍。如果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。電源的額定電流應高于設定的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現電壓下降。

（二）瞬態保護

在短路和過載電流限制時，設備中斷電流流動會導致輸入電感產生正電壓尖峰，輸出電感產生負電壓尖峰。為了避免這些瞬態電壓超過設備的絕對最大額定值，可以采取以下措施：

• 盡量減小