深入剖析 TPS2662x 60-V, 800-mA 工業 eFuse：特性、應用與設計指南

引言

在工業電子設計領域，電源保護至關重要。一款性能卓越的電子保險絲（eFuse）能夠為電路提供可靠的過流、過壓和反極性保護，確保系統穩定運行。今天，我們就來詳細探討德州儀器（TI）推出的 TPS2662x 系列工業 eFuse，了解其特性、應用場景以及設計要點。

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一、產品概述

TPS2662x 是一系列緊湊、功能豐富的高壓 eFuse，具有全面的保護功能。其寬電源輸入范圍為 4.5 V 至 60 V，可適應多種常見的直流母線電壓。該器件能夠承受高達 ±60 V 的正負極性電源電壓，為負載提供可靠保護。此外，TPS2662x 還集成了背靠背 MOSFET 以及輸入和輸出反極性保護功能，適用于對輸出電壓保持有要求的系統。

產品特性

1. 寬電壓范圍：工作電壓范圍為 4.5 V 至 60 V，絕對最大電壓可達 62 V，集成反向輸入極性保護至 -60 V，部分型號（TPS26624 和 TPS26625）還集成了反向輸出極性保護至 - (60 - VIN)。
2. 低導通電阻：集成背靠背 MOSFET，總導通電阻（RON）為 478 mΩ，可有效降低功耗。
3. 可調電流限制：電流限制范圍為 25 mA 至 880 mA，精度為 ±5%（在 880 mA 時），可根據實際應用需求進行靈活調整。
4. 浪涌保護：在浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）情況下，只需最少的外部組件即可實現負載保護。
5. 快速響應：具有快速反向電流阻斷響應（0.3 μs）和快速短路保護（典型值 220 ns），能夠迅速隔離故障負載。
6. 可調保護功能：可調節欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護（OVP）閾值和輸出壓擺率控制，以限制浪涌電流。
7. 低靜態電流：工作時靜態電流為 340 μA，關斷時為 12 μA，有助于降低系統功耗。
8. 小封裝尺寸：采用 10L（3 mm × 3 mm）VSON 封裝，節省 PCB 空間。
9. 安全認證：獲得 UL 2367 認證和 IEC 62368 - 1 認證，符合相關安全標準。

二、應用場景

TPS2662x 系列 eFuse 適用于多種工業應用，為系統提供可靠的電源保護。以下是一些典型的應用場景：

1. PLC I/O 模塊：保護模塊免受電源故障和反極性連接的影響，確保模塊穩定運行。
2. AC 和伺服驅動器：防止過流和過壓損壞驅動器，提高系統的可靠性。
3. 傳感器和控制設備：為傳感器和控制電路提供保護，確保測量和控制的準確性。
4. 溫控器：在智能溫控器中，可實現電源管理和保護，簡化設計。
5. PoE 高端保護：保護以太網供電設備免受電源故障的影響。

三、產品詳細分析

3.1 器件比較

3.2 引腳配置與功能

3.3 電氣特性

TPS2662x 的電氣特性涵蓋了多個方面，包括電源電壓、欠壓鎖定、過壓保護、電流限制等。以下是一些關鍵電氣特性的介紹：

1. 電源電壓：工作輸入電壓范圍為 4.5 V 至 60 V，內部上電復位（POR）閾值上升為 3.54 V 至 4.2 V，POR 遲滯為 110 mV。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：UVLO 閾值電壓上升為 1.18 V 至 1.23 V，下降為 1.09 V 至 1.135 V，輸入泄漏電流在 0 V 至 3.5 V 時為 -100 nA 至 100 nA，在 5 V 時為 18.8 μA 至 38 μA。
3. 過壓保護（OVP）：OVP 閾值電壓上升為 1.18 V 至 1.23 V，下降為 1.09 V 至 1.135 V，輸入泄漏電流在 0 V 至 5 V 時為 -100 nA 至 100 nA。
4. 電流限制：通過連接到 ILIM 引腳的電阻可設置過載和短路電流限制，不同電阻值對應不同的電流限制值。例如，當 R(ILIM) = 7.5 kΩ 時，過載電流限制為 0.83 A 至 0.91 A。

3.4 功能特性

3.4.1 欠壓鎖定（UVLO）

當 UVLO 引腳電壓在輸入電源故障或欠壓故障時低于 V(UVLOF)，內部 FET 迅速關斷，同時 FLT 引腳置位。UVLO 比較器具有 100 mV 的遲滯。若不需要欠壓鎖定功能，需將 UVLO 引腳通過 1 MΩ 電阻連接到 IN 引腳，以限制引腳電流小于 60 μA。

3.4.2 過壓保護（OVP）

TPS26620、TPS26621、TPS26624 和 TPS26625 具有過壓切斷功能，當 OVP 引腳電壓超過 V(OVPR) 時，內部 FET 關斷，保護下游負載。TPS26622 和 TPS26623 具有內部固定的 38 V 過壓鉗位功能，當輸入電壓超過 38 V 時，輸出電壓被鉗位在 Vovc。

3.4.3 熱插拔和浪涌電流控制

通過連接到 dVdT 引腳的外部電容可控制輸出電壓的壓擺率，從而限制熱插拔時的浪涌電流。當 dVdT 引腳懸空時，器件設置內部輸出電壓壓擺率為 24 V / 660 μs；連接電容可使壓擺率變慢。

3.4.4 反極性保護

• 輸入側反極性保護：TPS2662x 集成了輸入側反極性保護功能，在輸入反極性事件發生時，內部 FET 關斷，保護下游負載免受負電源電壓的影響。
• 輸出側反極性保護：TPS26624 和 TPS26625 還集成了輸出側反極性保護功能，在輸出反極性事件發生時，保護上游電路免受負電壓的影響。

  3.4.5 過載和短路保護

• 過載保護：通過連接到 ILIM 引腳的電阻可設置過載電流限制 I(OL)。在過載情況下，器件將電流調節在 I(OL) 并持續最長時間 tCL(dly)。超過該時間或達到熱關斷閾值后，內部 FET 關斷。部分型號（TPS26620、TPS26622 和 TPS26624）鎖定，需通過 SHDN 或 UVLO 復位；部分型號（TPS26621、TPS26623 和 TPS26625）在 512 ms 后自動重試。
• 短路保護：在輸出短路事件發生時，快速跳閘比較器（Fast - Trip Comparator）可在 220 ns（典型值）內關斷內部 FET，隨后器件緩慢開啟，由電流限制環路將輸出電流調節到 I(OL)。

  3.4.6 反向電流保護

  器件監測 V(IN) 和 V(OUT)，當 V(IN) - V(OUT) 低于 -2.6 V 時，反向比較器在 63 μs（典型值）內開啟，控制內部 FET 關斷，實現反向電流保護。

  3.4.7 熱關斷

  當結溫超過 T(TSD) 時，器件的熱關斷電路將保護內部 FET。熱關斷事件發生后，根據故障響應模式，器件要么鎖定，要么在 T(J) < (T(TSD) - 13.5°C) 后 512 ms 開始自動重試。

四、應用與設計實例

4.1 典型應用電路

4.2 詳細設計步驟

4.2.1 電流限制閾值編程

通過連接到 ILIM 引腳的電阻 R(ILIM) 設置過載電流限制。根據公式 (R{ILIM}=frac{6.636}{I{LIM}})，當 (I{LIM}=500 mA) 時，(R{ILIM}=13.27 kΩ)，選擇最接近的標準 1% 電阻值 (R_{ILIM}=13.3 kΩ)。

4.2.2 欠壓鎖定和過壓設定點

使用連接在 IN、UVLO、OVP 和 RTN 引腳之間的外部電阻分壓器網絡 (R{1})、(R{2}) 和 (R{3}) 調整欠壓鎖定（UVLO）和過壓跳閘點。根據公式 (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))，結合器件電氣規格和設計要求，選擇合適的電阻值。最終選擇 (R{1}=715 kΩ)、(R{2}=20 kΩ) 和 (R_{3}=30.1 kΩ)。

4.2.3 輸出電壓上升時間設置

為確保器件在動態（啟動）和穩態條件下的結溫低于絕對最大額定值，需要確定合適的啟動時間和浪涌電流限制。考慮兩種情況：

• 無負載啟動：僅輸出電容 (C_{(OUT)}) 在啟動時充電，根據公式 (I = C × frac{dV}{dT}) 和 (PD(INRUSH)=0.5 × V(IN) × I(NRUSH)) 計算浪涌電流和平均功耗。
• 有負載啟動：輸出電容 (C{(OUT)}) 和負載在啟動時都消耗電流，根據公式 (PD(LOAD)=frac{1}{6} × frac{V(IN)^{2}}{RL(SU)}) 和 (PD(STARTUP) = PD(INRUSH) + PD(LOAD)) 計算總功耗。 選擇浪涌電流 (I{(INRUSH)} = 0.1 A)，計算得到 (t{dVdT}=5.28 ms)，根據公式 (t{dVdT}=20.5 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)}) 計算得到 (C_{(dVdT)} = 10.7 nF)，選擇最接近的標準值 10.0 nF 且耐壓 16 V 的電容。

  4.2.4 支持組件選擇

• (R_{FLT}) 電阻：作為開漏故障輸出的上拉電阻，推薦阻值范圍為 10 kΩ 至 100 kΩ。
• (C_{(IN)}) 電容：作為局部旁路電容，抑制輸入噪聲，推薦電容值范圍為 0.1 μF 至 1 μF。

五、電源供應建議與布局注意事項

5.1 電源供應建議

TPS2662x eFuse 的電源電壓范圍為 4.5 V 至 60 V。如果輸入電源與器件距離較遠，建議使用大于 0.1 μF 的輸入陶瓷旁路電容。電源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。

5.2 瞬態保護

在短路和過載電流限制情況下，器件中斷電流流動時，輸入電感會在輸入產生正電壓尖峰，輸出電感會在輸出產生負電壓尖峰。為解決這些瞬態問題，可采取以下措施：

• 盡量減小器件輸入和輸出的引線長度和電感。
• 使用大面積 PCB 接地平面。
• 在 TPS26620、TPS26621、TPS26622、TPS26623 設計中，使用肖特基二極管跨接在輸出和地之間吸收負尖峰；在 TPS26624 和 TPS26625 設計中，使用 TVS 鉗位。
• 使用低阻值陶瓷電容 (C_{(IN)})（約 0.1 μF）吸收能量，抑制瞬態。

  5.3 布局指南

• 在 IN 端子和 GND 之間使用 0.1 μF 或更高值的陶瓷去耦電容，且放置位置應盡可能靠近器件的 IN 和 GND 端子，以減小旁路電容連接、IN 端子和 IC 的 GND 端子形成的環路面積。
• 高電流承載功率路徑連接應盡可能短，且尺寸應能承載至少兩倍的滿負載電流。
• RTN 作為器件的參考地，應為銅平面或島。
• 將 TPS2662x 系列的支持組件（(R{(ILIM)})、(C{(dVdT)})、UVLO 和 OVP 電阻）放置在靠近其連接引腳的位置，并將組件的另一端以最短的走線長度連接到 RTN。
• (R_{ILIM}) 組件到器件的走線應盡可能短，以減少對電流限制和電流監測精度的寄生效應，且這些走線不應與板上的開關信號耦合。
• 保護器件（如 TVS、緩沖器、電容或二極管）應物理上靠近它們要保護的器件，并使用短走線路由以減少電感。
• 對于熱考慮，PowerPAD 封裝在正確安裝時可提供顯著的散熱能力。為使器件在額定功率下運行，PowerPAD 必須直接焊接到器件正下方的電路板 RTN 平面。在不需要輸入反極性保護的設計中，可將 RTN、GND 和 PowerPAD 連接在一起，PowerPAD 可連接到 PCB 接地平面。

六、總結

TPS2662x 系列工業 eFuse 憑借其豐富的功能和出色的性能，為