TPS25924x eFuse：高效電路保護與電源管理解決方案

在電子設備的設計中，電路保護和電源管理至關重要。德州儀器（TI）的TPS25924x系列eFuse就是這樣一款高度集成的解決方案，為各類應用提供了可靠的保護和管理功能。今天我們就來深入了解一下這款產品。

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一、產品概述

TPS25924x系列eFuse是一個高度集成的電路保護和電源管理解決方案，采用小巧的封裝。它使用較少的外部組件，提供多種保護模式，能有效抵御過載、短路、電壓浪涌、過大的浪涌電流和反向電流等問題。該系列包括TPS259240和TPS259241兩款產品，它們在故障響應模式上有所不同，TPS259240為鎖存模式，TPS259241為自動重試模式。

二、產品特性

（一）電氣性能

1. 寬工作電壓范圍：工作電壓 (V{OPERATING}) 為4.5 V至13.8 V，絕對最大電壓 (V{ABSMAX}) 可達20 V，能適應多種電源環境。
2. 集成低電阻MOSFET：集成了28 - mΩ的導通電阻的Pass MOSFET，降低了功率損耗。
3. 可調電流限制：電流限制 (I_{LIMIT}) 可在1 - A至5 - A之間調節，在3.7 A時，電流限制精度為±8%。
4. 過壓保護：具有固定的15 - V過壓鉗位功能，能有效保護負載免受過高電壓的損害。
5. 反向電流阻斷：支持反向電流阻斷，防止電流反向流動對電路造成損壞。

（二）其他特性

1. 可編程輸出壓擺率：通過連接一個電容到dV/dT引腳，可以控制輸出電壓的壓擺率，滿足特定的電壓斜坡要求。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：可通過外部電阻分壓器編程不同的UVLO觸發點，確保設備在合適的電壓下工作。
3. 內置熱關斷：當設備溫度超過150°C時，熱關斷電路會關閉內部MOSFET，保護設備免受過熱損壞。
4. 安全認證：獲得UL 2367認證（文件編號E339631），在單點故障測試（UL60950）中表現安全。
5. 小尺寸封裝：采用10引腳（3 mm x 3 mm）的VSON封裝，節省電路板空間。

三、應用領域

TPS25924x適用于多種應用場景，包括：

1. 適配器供電設備：如筆記本電腦、平板電腦等，為設備提供可靠的電源保護。
2. 硬盤和固態硬盤驅動器：保護存儲設備免受電源波動的影響。
3. 機頂盒：確保機頂盒的穩定運行。
4. 服務器和輔助電源：為服務器提供電源管理和保護。
5. 風扇控制：控制風扇的電源供應，保證風扇的正常運行。
6. PCI/PCIe卡：為PCI/PCIe卡提供電源保護和管理。

四、詳細功能描述

（一）工作原理

TPS25924x通過監測VIN總線來啟動工作。當VIN超過欠壓鎖定閾值 (V{UVR}) 時，設備會采樣EN/UVLO引腳。如果該引腳為高電平，內部MOSFET將被啟用，電流從VIN流向OUT。在啟動成功后，設備會持續監測負載電流和輸入電壓，確保可調過載電流限制 (I{OL}) 不被超過，并將輸入電壓尖峰安全鉗位到 (V_{OVC}) 水平。

（二）引腳功能

1. BFET：連接到外部NFET的柵極，用于在VIN電源故障時斷開輸入電源與系統的連接。
2. dV/dT：通過連接一個電容到GND來控制輸出電壓在電源開啟時的壓擺率。
3. EN/UVLO：具有雙重功能，既可以作為使能引腳控制內部MOSFET的開關，也可以作為UVLO引腳通過外部電阻分壓器編程不同的UVLO觸發點。
4. ILIM：通過連接一個電阻到GND來設置過載和短路電流限制。
5. OUT：設備的輸出引腳。
6. VIN：輸入電源電壓引腳。

（三）故障處理

當設備溫度超過熱關斷閾值 (T{SHDN}) 時，內部MOSFET會關閉，斷開負載與電源的連接。對于TPS259240，輸出將保持斷開狀態，直到設備電源循環或EN/UVLO引腳被切換；對于TPS259241，設備會在溫度下降到 (T{SHDN}-10^{circ}C) 以下后嘗試重新啟動。

五、應用與實現

（一）設計步驟

在使用TPS25924x進行設計時，可以按照以下步驟選擇組件值：

1. 編程電流限制閾值：通過 (R{ILIM}) 電阻設置過載電流限制 (I{OL})，計算公式為 (R{ILIM}=frac{I{LIMIT}-0.7}{3 × 10^{-5}})。
2. 設置欠壓鎖定閾值：通過外部電阻分壓器 (R{1}) 和 (R{2}) 調整欠壓鎖定（UVLO）觸發點，計算公式為 (V{(UV)}=frac{R{1}+R{2}}{R{2}} × V_{ENR})。
3. 設置輸出電壓斜坡時間：根據系統電容和負載情況，選擇合適的 (C_{dVdT}) 電容來控制輸出電壓的斜坡時間，避免啟動時熱關斷。

（二）典型應用

1. 簡單3.7 - A eFuse保護用于機頂盒：通過合理選擇 (R{ILIM})、(R{1})、(R{2}) 和 (C{dVdT}) 等組件，為機頂盒提供可靠的電源保護。
2. 保持電容應用的浪涌和反向電流保護（如SSD）：通過連接外部NFET和設置合適的參數，防止反向電流和浪涌電流對SSD造成損壞。
3. 使用TPS25924x進行受控電源關閉：利用BFET引腳實現快速輸出放電功能，確保負載完全關閉，避免處于未定義的操作狀態。

六、電源供應建議與布局

（一）電源供應建議

1. 設備設計用于4.5 V至18 V的電源電壓范圍。如果輸入電源距離設備較遠，建議使用大于0.1 μF的輸入陶瓷旁路電容。
2. 電源的額定電流應高于設置的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現電壓下降。

（二）布局指南

1. 在IN端子和GND之間建議使用0.01 - μF或更大的陶瓷去耦電容，對于熱插拔應用，可根據情況減少或消除該電容。
2. 去耦電容應盡可能靠近設備的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。
3. 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。
4. GND端子應連接到PCB的接地平面，PCB接地應為銅平面或島上的銅箔。
5. 所有支持組件（如 (R{ILIM})、(C{dVdT}) 和EN/UVLO的電阻）應靠近其連接引腳，并以最短的走線長度連接到設備的GND引腳。
6. 保護設備（如TVS、緩沖器、電容或二極管）應物理上靠近它們要保護的設備，并使用短走線以減少電感。

七、總結

TPS25924x系列eFuse是一款功能強大、性能可靠的電路保護和電源管理解決方案。它具有寬工作電壓范圍、可調電流限制、過壓保護、反向電流阻斷等多種特性，適用于多種應用場景。在設計過程中，合理選擇組件值和優化布局可以確保設備的穩定運行。電子工程師們在實際應用中可以根據具體需求，充分發揮TPS25924x的優勢，為產品提供可靠的電源保護和管理。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。