TPS2475x：12A eFuse電路保護器的深度解析與應用指南

在電子設備的設計中，電路保護是至關重要的一環。TI推出的TPS2475x系列12A eFuse電路保護器，憑借其高度集成的特性和強大的保護功能，在眾多應用場景中得到了廣泛的應用。今天，我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：tps24750.pdf

產品概述

TPS2475x系列包括TPS24750和TPS24751，適用于2.5V至18V的應用，能夠為源、負載和內部MOSFET提供保護，防止潛在的損壞事件。它將熱插拔控制器和功率MOSFET集成在一個封裝中，適用于小尺寸應用。

產品特性

• 寬電壓范圍與高電流能力：支持2.5V至18V的總線操作，連續電流可達12A，滿足多種應用需求。
• 集成MOSFET：內置MOSFET，典型 (R_{DS(on)}) 為3mΩ，有效降低導通損耗。
• 可編程功能：包括可編程電流限制、FET安全工作區（SOA）保護、故障定時器、輸出壓擺率、欠壓（UV）和過壓（OV）保護等，可根據具體應用進行靈活配置。
• 狀態監測與控制：提供電源良好（PG）和故障（FLT）輸出，以及模擬負載電流監測功能，方便系統進行狀態監測和下游負載控制。
• 保護機制：具備快速斷路器用于短路保護和熱關斷功能，確保系統在異常情況下的安全性。
• UL認證：獲得UL 2367認證，文件編號為E339631，符合相關安全標準。

應用場景

TPS2475x廣泛應用于服務器、高電流負載開關、通信設備、插件模塊、RAID系統、基站和風扇控制等領域，為這些設備提供可靠的電路保護。

產品規格與參數

絕對最大額定值

在操作自由空氣溫度范圍內，各引腳的電壓和電流都有明確的限制。例如，輸入電壓（DRAIN、EN、FLTb等引腳）范圍為 -0.3V至30V，最大結溫為150°C，存儲溫度范圍為 -65°C至150°C。

ESD評級

人體模型（HBM）和帶電設備模型（CDM）的ESD評級均為 ±500V，在使用過程中需要注意靜電防護。

推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為2.5V至18V，不同引腳的電壓、電流和電阻等參數也有相應的要求。例如，OV引腳的電壓范圍為0V至16V，PROG引腳的電阻范圍為4.99kΩ至500kΩ。

熱信息

提供了多種熱指標，如結到環境熱阻 (R{θJA}) 為33.7°C/W，結到外殼（頂部）熱阻 (R{θJC(top)}) 為28.2°C/W等，有助于在設計中進行熱管理。

電氣特性

在 -40°C至 +125°C的結溫范圍內，對各個引腳的參數進行了詳細規定。例如，VCC引腳的欠壓鎖定（UVLO）閾值上升為2.20V至2.45V，下降為2.10V至2.35V；OUT引腳的導通電阻在不同溫度和電流條件下有不同的值。

引腳配置與功能

TPS2475x采用36引腳的VQFN（RUV）封裝，各引腳具有不同的功能。

• DRAIN：內部通MOSFET的漏極，連接到功率路徑中的電流感測電阻的一端。
• EN：高電平有效使能輸入，可作為欠壓監測引腳，通過外部電阻分壓器實現。
• FLTb：低電平有效、開漏輸出，指示過載故障定時器已關閉內部FET。TPS24750工作在鎖存模式，TPS24751工作在重試模式。
• GATE：為內部MOSFET提供柵極驅動，在啟動時可調節內部FET的柵極電壓以限制浪涌電流。
• GND：連接到系統地。
• IMON：負載電流模擬和電流限制編程點，通過連接到地的電阻 (R_{IMON}) 來縮放電流限制和功率限制設置。
• OUT：連接到內部MOSFET的源極，用于測量漏源電壓，必須用低阻抗陶瓷電容旁路到地。
• OV：用于編程設備的過壓水平，當電壓超過1.35V時，關閉內部FET。
• PGb：低電平有效、開漏輸出，用于指示電源良好狀態，可與下游dc/dc轉換器或監測電路接口。
• PROG：通過連接到地的電阻設置內部MOSFET在浪涌期間允許的最大功率。
• SENSE：連接到 (R_{SENSE}) 的負端，用于感測電阻兩端的電壓和監測內部FET的漏源電壓。
• SET：通過連接到 (R{SENSE}) 正端的電阻 (R{SET}) 來縮放電流限制和功率限制設置。
• TIMER：通過連接到地的電容 (C_{T}) 確定過載故障計時。
• VCC：為集成電路提供偏置電源，同時作為上電復位（POR）和欠壓鎖定（UVLO）功能的輸入。

工作模式與功能詳解

板卡插入模式

當熱插拔板卡插入系統總線時，TPS2475x在內部電壓穩定期間保持 inactive 狀態。當內部VCC電壓超過約1.5V時，上電復位（POR）電路初始化設備，開始啟動周期。

浪涌操作模式

初始化完成且EN有效后，GATE引腳開始增加電壓，當達到內部FET的柵極閾值時，電流流入下游大容量存儲電容。當電流超過功率限制引擎設置的限制時，內部FET的柵極由反饋回路調節，以控制電流上升，同時將內部FET的功率耗散限制在安全水平。當 (V_{(GATE - VCC)}) 達到定時器激活電壓時，浪涌模式結束。

恒功率引擎的作用

在啟動期間，恒功率引擎通過調節參考信號來調整電流，以保持內部FET的功率耗散恒定。例如，當電流開始流動時，根據輸入電壓和設定的功率限制，允許一定的電流通過，隨著漏源電壓的減小，電流成反比增加，直到達到電流限制 (I_{LIM})。

斷路器和快速跳閘功能

TPS2475x通過感測 (R_{SENSE}) 兩端的電壓來監測負載電流，具有電流限制閾值和快速跳閘閾值。當電流超過電流限制閾值時，故障定時器開始計時，當電壓達到1.35V時，內部FET關閉。TPS24750進入鎖存模式，TPS24751進入重啟模式。當電壓超過快速跳閘閾值（60mV）時，GATE引腳立即以約1A的電流將內部FET柵極拉到地，然后緩慢重新開啟，由電流限制反饋回路接管柵極控制。

自動重啟功能

TPS24751在故障導致內部FET關閉后，會自動啟動重啟。內部控制電路使用 (C_{T}) 計數16個周期后重新啟用FET。如果故障仍然存在，該序列將重復進行。

輸出短路啟動功能

TPS2475x能夠在啟動期間檢測輸出短路，并確保熱插拔電路/系統關閉并發出故障指示。如果在啟動周期內 (C_{T}) 上的電壓達到1.35V，內部FET關閉，故障引腳FLTb拉低。

PGb、FLTb和定時器操作

• PGb：基于內部FET兩端的電壓提供去毛刺的浪涌結束指示，可防止下游dc/dc轉換器在輸入電容 (C_{OUT}) 仍在充電時啟動。
• FLTb：指示允許的故障定時器周期結束，當負載電流超過編程的電流限制但未超過快速跳閘閾值時，故障定時器開始計時，當 (C_{T}) 上的電壓達到1.35V時，FLTb拉低。
• 定時器：在不同的工作模式下，定時器的行為有所不同。在鎖存模式和重試模式下，當 (C_{T}) 達到上限閾值時，分別有不同的操作。

過溫關斷功能

當芯片管芯溫度超過約140°C時，內置的過溫關斷電路會禁用柵極驅動器，關閉內部FET。當溫度下降約10°C時，恢復正常操作。

熱插拔電路的啟動方式

TPS2475x有兩種啟動內部FET的方式：一是當EN高于其上限閾值且VCC高于UVLO上限閾值時，向內部FET的柵極提供電流；二是當VCC高于UVLO上限閾值且EN高于其上限閾值時，同樣向內部FET的柵極提供電流。內部FET可以通過多種條件禁用，如UVLO、EN、負載電流超過電流限制閾值、負載短路、OV或OTSD等。

應用與設計

設計步驟

在設計應用電路時，可以按照以下步驟選擇組件值：

1. 選擇 (R{SENSE})、(SET) 和 (R{IMON})：推薦的電流限制閾值電壓范圍為10mV至42mV，為了實現高效率，應盡量減小 (R{SENSE}) 的功率耗散。同時，根據電流限制要求選擇合適的 (R{SET}) 和 (R_{IMON}) 值。
2. 選擇功率限制值 (P{LIM}) 和 (R{PROG})：為了防止內部FET管芯溫度超過短期最大溫度，需要設置功率限制 (P{LIM})。根據熱阻和溫度等參數計算 (P{LIM})，并選擇合適的 (R_{PROG}) 電阻。
3. 選擇輸出電壓上升時間 (t{ON}) 和定時電容 (C{T})：根據負載電容和功率限制等條件計算 (t{ON})，并考慮額外的柵極電壓上升時間，確定最小故障時間 (t{FLT})。選擇合適的 (C_{T}) 值，以避免在啟動期間關閉。
4. 計算重試模式占空比：在重試模式下，TPS24751的占空比為6.35ms / 161.45ms = 3.93%，有效穩態功率耗散為 (P_{LIM}) 的4%。
5. 選擇 (R{1})、(R{2}) 和 (R_{3}) 用于UV和OV：根據TPS2475x的電氣規格和設計要求，選擇合適的電阻值，以實現欠壓和過壓保護。
6. 選擇 (R{4})、(R{5}) 和 (C_{1})：如果使用PGb和FLTb引腳，需要選擇合適的上拉電阻 (R{4}) 和 (R{5})，同時選擇合適的旁路電容 (C_{1}) 來控制瞬態電壓和噪聲。

其他設計考慮因素

• PGb的使用：使用PGb引腳控制和協調下游dc/dc轉換器，避免在 (C_{OUT}) 仍在充電時啟動轉換器，防止出現不期望的鎖存狀態。
• 輸出鉗位二極管：對于輸出端的感性負載，連接一個二極管從OUT到GND，以滿足OUT引腳的額定值，推薦使用肖特基二極管。
• 柵極鉗位二極管：對于工作電壓大于14V的應用，需要使用負柵極鉗位，同時推薦使用幾百歐姆的串聯電阻或串聯硅二極管，以防止輸出電容通過柵極驅動器放電到地。
• 旁路電容：在VCC和OUT引腳提供低阻抗陶瓷電容旁路，推薦值范圍為10nF至1μF。
• 輸出短路測量：由于短路測試結果受多種因素影響，需要仔細配置和選擇測試方法，以獲得實際的測試結果。

布局指南

TPS2475x的應用需要仔細考慮布局，以確保性能并減少對瞬態和噪聲的敏感性。

• 去耦電容：VCC引腳的去耦電容應盡可能靠近引腳和GND，以減小走線長度。
• SET和SENSE走線：SET和SENSE的走線應短且并排運行，以提高共模抑制能力。在與 (R_{SENSE}) 接觸的點應使用開爾文連接。
• 高電流路徑：高電流承載的功率路徑連接應盡可能短，并能夠承載至少兩倍的滿載電流。
• IMON引腳連接：在完成上述連接后，應盡量減少IMON引腳的連接。
• 參考平面：參考應使用銅平面或島，必要時使用過孔將組件直接連接到適當的返回接地平面或島。
• 熱考慮：PowerPAD封裝提供了更好的散熱能力，PowerPAD-2應直接焊接到PC板的DRAIN平面，底部的DRAIN平面可增加散熱效果。
• 保護器件：保護器件（如緩沖器、TVS、電容或二極管）應靠近被保護的設備，并使用短走線以減少電感。

總結

TPS2475x系列12A eFuse電路保護器是一款功能強大、性能可靠的電路保護器件。通過其豐富的可編程功能和多種保護機制，能夠為各種應用提供有效的電路保護。在設計應用電路時，需要根據具體的應用需求和參數要求，合理選擇組件值，并注意布局和熱管理等方面的問題。希望本文能夠為電子工程師在使用TPS2475x時提供一些有用的參考。

大家在使用TPS2475x的過程中，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。