深度剖析 TPS25940x eFuse：高效、可靠的電源管理解決方案
深度剖析 TPS25940x eFuse：高效、可靠的電源管理解決方案
在電子設備的電源管理領域，一款性能卓越的 eFuse 器件對于保障系統穩定運行至關重要。TPS25940x 作為一款備受關注的 eFuse 產品，具備眾多出色特性，適用于多種應用場景。本文將深入剖析 TPS25940x 的各項特性、應用及設計要點，為電子工程師們提供全面的參考。
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一、產品概述
TPS25940x 是德州儀器（TI）推出的一款 2.7 - 18V eFuse，具有真正的反向阻斷功能和 DevSleep 支持，專為固態硬盤（SSD）等設備設計。它集成了背靠背 FET 和增強的內置保護電路，能為 2.7V 至 18V 供電的系統和應用提供強大保護。
1.1 產品特性
- 寬電壓范圍：工作電壓范圍為 2.7V - 18V，最大承受電壓可達 20V，典型導通電阻 (R_{ON}) 為 42mΩ，能適應多種電源環境。
- 可調電流限制：電流限制可在 0.6A 至 5.3A 之間調節，精度為 ±8%，可根據不同應用需求靈活設置。
- 低功耗模式：具有 DevSleep 模式，典型靜態電流 (I{0}) 低至 95μA，關閉狀態下典型 (I{0}) 為 15μA，有效降低功耗。
- 反向電流阻斷：能在 1μs 內實現反向電壓關斷，防止反向電流對系統造成損害。
- 可編程 (dV_{o} /dt) 控制：通過外部電容可設置輸出電壓的上升速率，有效控制浪涌電流。
- 狀態監測與保護輸出：提供 Power Good 和 Fault 輸出，方便系統監測和控制。
- 寬溫度范圍：結溫范圍為 -40°C 至 125°C，能適應惡劣的工作環境。
- 安全認證：獲得 UL 2367 認證，符合 UL60950 單點故障安全測試要求。
二、應用領域
TPS25940x 憑借其出色的性能，廣泛應用于多個領域：
- 存儲設備：PCIe/SATA/SAS HDD 和 SSD 驅動器，為存儲設備提供可靠的電源保護。
- 服務器：企業和微型服務器，保障服務器系統的穩定運行。
- 智能負載開關：實現對負載的智能控制。
- 消費電子：機頂盒（STB）、數字電視（DTV）和游戲控制臺等，提升設備的電源管理能力。
- RAID 卡：用于 RAID 卡的保持電源管理，確保數據的安全存儲。
- 通信設備：電信交換機和路由器，提高通信設備的可靠性。
- 適配器供電設備：為適配器供電的設備提供電源保護。
三、引腳配置與功能
| TPS25940x 采用 20 引腳 WQFN 封裝，各引腳功能如下： | 引腳名稱 | 引腳編號 | 輸入/輸出 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| DEVSLP | 1 | 輸入 | 高電平激活 DevSleep 模式（低功耗模式） | |
| PGOOD | 2 | 輸出 | 高電平表示 PGTH 超過閾值，為開漏輸出 | |
| PGTH | 3 | 輸入 | PGOOD 比較器的正輸入 | |
| OUT | 4 - 8 | 輸出 | 設備的電源輸出 | |
| IN | 9 - 13 | 輸入 | 設備的電源輸入和供電電壓 | |
| EN/UVLO | 14 | 輸入 | 設置可編程欠壓鎖定閾值，欠壓事件會打開內部 FET 并斷言 FLT 表示電源故障 | |
| OVP | 15 | 輸入 | 設置可編程過壓保護閾值，過壓事件會打開內部 FET 并斷言 FLT 表示過壓 | |
| GND | 16 | - | 接地 | |
| ILIM | 17 | 輸入/輸出 | 通過連接到 GND 的電阻設置過載和短路電流限制 | |
| dVdT | 18 | 輸入/輸出 | 通過連接到 GND 的電容設置輸出電壓的上升速率 | |
| IMON | 19 | 輸出 | 該引腳輸出與內部 FET 電流成比例的縮放電流，可用于模擬電流監測 | |
| FLT | 20 | 輸出 | 故障事件指示器，低電平表示欠壓、過壓、反向電壓和熱關斷事件，為開漏輸出 | |
| PowerPAD? | - | - | GND 端子必須連接到外露的 PowerPAD，通過多個過孔連接到 PCB 接地平面以實現良好的熱性能 |
四、規格參數
4.1 絕對最大額定值
- 輸入電壓范圍：IN、OUT、PGTH、PGOOD、EN/UVLO、OVP、DEVSLP、FLT 引腳為 -0.3V 至 20V；dVdT、ILIM 引腳為 -0.3V 至 3.6V；IMON 引腳為 -0.3V 至 7V。
- 最大結溫：-40°C 至 150°C。
- 存儲溫度范圍：-65°C 至 150°C。
4.2 ESD 評級
- 人體模型（HBM）：±2000V。
- 帶電器件模型（CDM）：±500V。
4.3 推薦工作條件
- 輸入電壓范圍：IN 為 2.7V 至 18V；EN/UVLO、OVP、DEVSLP、OUT、PGTH、PGOOD、dVdT、ILIM 為 0V 至 3V；IMON 為 0V 至 6V。
- 電阻：IMON、ILIM 為 16.9kΩ 至 150kΩ。
- 外部電容：OUT 為 0.1μF；dVdT 為 470nF。
- 工作結溫范圍：-40°C 至 125°C。
4.4 電氣特性
- 電源電壓和內部欠壓鎖定：工作輸入電壓為 2.7V 至 18V；內部 UVLO 閾值上升為 2.2V 至 2.4V，滯后為 105mV 至 125mV。
- 使能和欠壓鎖定（EN/UVLO）輸入：EN/UVLO 閾值電壓上升為 0.97V 至 1.01V，下降為 0.9V 至 0.94V。
- 過壓保護（OVP）輸入：過壓閾值電壓上升為 0.97V 至 1.01V，下降為 0.9V 至 0.94V。
- DEVSLP 模式輸入：DEVSLP 閾值電壓上升為 1.6V 至 2V，下降為 0.8V 至 1.1V。
- 輸出斜坡控制（dVdT）：dVdT 充電電流為 0.85μA 至 1.15μA；dVdT 放電電阻為 16Ω 至 24Ω；dVdT 最大電容電壓為 2.6V 至 3.1V；dVdT 到 OUT 增益為 11.65V/V 至 12.05V/V。
- 電流限制編程（ILIM）：ILIM 偏置電壓為 0.87V；電流限制可通過不同的 (R_{(ILIM)}) 電阻設置，范圍從 0.53A 至 5.62A。
- 電流監測輸出（IMON）：增益因子 (I{(IMON)}:I{(OUT)}) 為 47.78μA/A 至 57.23μA/A。
- MOSFET - 功率開關：IN 到 OUT 的導通電阻在不同溫度和負載電流下有所變化，典型值為 42mΩ。
- PASS FET 輸出（OUT）：OUT 漏電電流在關斷狀態下為 -2μA 至 13μA。
- 故障標志（FLT）：FLT 內部下拉電阻為 10Ω 至 30Ω；FLT 輸入漏電電流為 -1μA 至 0μA。
- 電源良好比較器輸入（PGTH）：PGTH 閾值電壓上升為 0.97V 至 1.01V，下降為 0.9V 至 0.94V；PGTH 輸入漏電電流為 -100nA 至 100nA。
- 電源良好比較器輸出（PGOOD）：PGOOD 內部下拉電阻為 10Ω 至 35Ω；PGOOD 輸入漏電電流為 -1μA 至 1μA。
- 熱關斷（TSD）：TSD 閾值為 160°C，滯后為 12°C；TPS25940L 為鎖存模式，TPS25940A 為自動重試模式。
4.5 時序要求
- 使能和 UVLO 輸入：EN 開啟延遲在不同條件下有所不同，關閉延遲為 2μs。
- 過壓保護輸入（OVP）：OVP 禁用延遲為 2μs。
- 輸出斜坡控制（dV/dT）：輸出斜坡時間根據不同的 (C_{(dVdT)}) 電容和輸出電壓有所變化。
- 電流限制：快速跳閘比較器延遲為 200ns。
- 反向保護比較器：反向保護比較器延遲在不同條件下為 1μs 至 10μs。
- 電源良好比較器輸出（PGOOD）：PGOOD 延遲（消抖）時間上升和下降均為 0.42ms 至 0.66ms。
- 熱關斷（TSD）：TPS25940A 的重試延遲為 128ms。
4.6 典型特性
通過一系列典型特性曲線，展示了 TPS25940x 在不同溫度、電壓和負載條件下的性能表現，如 UVLO 閾值電壓與溫度的關系、輸入電源電流與電源電壓的關系等，為工程師在實際應用中提供了重要的參考依據。
五、詳細功能描述
5.1 使能和調整欠壓鎖定
EN/UVLO 引腳控制內部 FET 的開關狀態。當該引腳電壓 (V{(ENUVLO)}
5.2 過壓保護（OVP）
設備通過連接從電源到 OVP 端子再到 GND 的電阻分壓器來編程過壓閾值。當 OVP 引腳電壓超過 (V_{(OVPR)}) 時，內部 FET 關閉，保護下游負載。若不使用該功能，應將 OVP 引腳接地。
5.3 熱插拔和浪涌電流控制
該設備設計用于控制卡插入帶電背板或其他“熱”電源時的浪涌電流，通過限制背板電源電壓的下降和防止系統電源意外復位。通過在 dVdT 引腳與 GND 之間連接外部電容，可定義上電時輸出電壓的上升速率。輸出電壓的上升時間 (t{dVdT}) 可通過公式計算，浪涌電流 (I{(INRUSH)}) 也可根據相關公式計算。若 dVdT 引腳懸空，設備將設置內部輸出電壓上升速率為 12V/ms。
5.4 過載和短路保護
設備通過監測內部感測電阻兩端的電壓來監測負載電流。在過載事件中，電流被限制在由 (R{(ILIM)}) 電阻編程的電流限制 (I{(LIM)}) 。設備具有電流限制 (I{(LIM)}) 和快速跳閘閾值 (I{(FASTRIP)}) 兩個不同的級別。在過載情況下，內部電流限制放大器將輸出電流調節到 (I{(LIM)}) ，若設備結溫達到熱關斷閾值 (T{(TSD)}) ，內部 FET 將關閉。TPS25940L 版本將保持鎖存關閉狀態，而 TPS25940A 版本將在 (T{J}<[T{(TSD)}-12^{circ}C]) 后 128ms 開始自動重試周期。在短路事件中，快速跳閘比較器將在電流超過 (I_{(FASTRIP)}) 時在 1μs 內關閉通過設備，終止快速短路峰值電流。
5.5 故障響應
FLT 開漏輸出在欠壓、過壓、反向電壓/電流和熱關斷條件下被斷言（低電平有效）。FLT 信號將保持斷言狀態，直到故障條件消除，設備恢復正常運行。設備通過內部“消抖”電路消除欠壓和過壓條件下的誤報故障，確保在輸入總線瞬變期間不會意外斷言故障。
5.6 電流監測
IMON 端子的電流源與從 IN 到 OUT 的電流成比例。通過在 IMON 端子與 GND 端子之間連接電阻 (R_{(IMON)}) ，可將該電流轉換為電壓，用于監測系統中的電流流動。最大監測電流的電壓范圍有限制，以確保線性輸出。該引腳不應連接旁路電容，以免延遲電流監測信息。可使用 ADC 將 IMON 引腳的電壓數字化，以讀取電流監測信息。
5.7 電源良好比較器
設備內置電源良好比較器，用于與下游 DC - DC 轉換器或系統監測電路協調狀態。比較器的負端子具有內部參考電壓 (V_{(PGTHR)} = 0.99V) ，正端子 PGTH 可用于監測設備的輸入或輸出。比較器輸出 PGOOD 為開漏高電平有效信號，可用于向下游單元指示狀態。PGOOD 信號具有消抖時間，以確保在下游轉換器施加重載之前內部 FET 完全增強。
5.8 IN、OUT 和 GND 引腳
設備具有多個輸入（IN）和輸出（OUT）引腳。所有 IN 引腳應連接在一起并連接到電源，建議在 IN 與 GND 之間靠近設備處使用陶瓷旁路電容，以減輕總線瞬變。推薦的工作電壓范圍為 2.7V - 18V。OUT 引腳在導通狀態下的電壓可根據公式 (V{(OUT)} = V{(IN)} - (R{ON} × I{(OUT)})) 計算。GND 端子是電路中最負的電壓，用作所有電壓參考的基準。
5.9 熱關斷
當 (T{J}>160^{circ}C) （典型值）時，內部過熱關斷功能將關閉 FET。TPS25940L 版本將鎖定內部 FET 關閉，而 TPS25940A 版本將在 (T{J}) 降至 ([T_{(TSD)}-12^{circ}C]) 以下 128ms 后開始自動重試周期。在熱關斷期間，故障引腳 FLT 拉低以指示故障條件。
六、設備功能模式
6.1 DevSleep 模式
DevSleep 是 SATA? 規范中引入的一種新狀態，要求基于 SATA 的存儲解決方案達到低功耗運行水平。TPS25940 提供專用的 DevSleep 接口端子（DEVSLP），當該端子拉高時，設備進入低功耗 DevSleep 模式，此時設備的靜態電流消耗限制在小于 130μA（典型值為 95μA）。在該模式下，輸出電壓保持激活，過載電流限制設置為 (I{(DEVSLP(LIM))}) ，反向比較器和電流監測功能禁用，其他保護功能保持活躍，確保系統安全。用戶在設備進入 DevSleep 模式時，必須確保總線上的負載電流限制在 (I{(DEVSLP(LIM))}) 以下，并且在退出 DevSleep 模式時，應先對 TPS25940 進行排序，再開啟負載，以免負載超過 (I_{(DEVSLP(LIM))}) 導致設備進入過載模式。
6.2 關機控制
通過使用開集電極或開漏設備將 UVLO 引腳拉至其 0.6V 閾值以下，可遠程
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具有真正反向阻斷和針對固態硬盤 (SSD) 的DevSleep支持TPS25940x數據表
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