TPS22981：3.3 - 18V Thunderbolt? 電源多路復用器設計指南

在電子設備的電源管理領域，高效且可靠的電源切換和電流控制至關重要。TI 的 TPS22981 電源多路復用器專為 Thunderbolt? 和 Thunderbolt II? 應用而設計，能夠在不同電壓源之間實現無縫切換，為設備提供穩定的電源供應。本文將深入介紹 TPS22981 的特性、應用、設計要點以及布局建議，幫助電子工程師更好地理解和應用這款產品。

文件下載：tps22981.pdf

一、產品概述

TPS22981 是一款電流受限的電源多路復用器，可從低電壓電源（3V - 3.6V）或高電壓電源（4.5V - 19.8V）為外圍設備提供連接。通過數字控制信號選擇所需的輸出，適用于筆記本電腦、臺式電腦和電源管理系統等多種應用場景。

產品特性

• 寬電壓范圍：支持 3.3V 供電，以及 4.5V - 19.8V 的高電壓開關和 3V - 3.6V 的開關。
• 可調電流限制：通過外部電阻設置高電壓（VHV）和低電壓（V3P3）開關的電流限制，確保設備在安全電流范圍內運行。
• 熱關斷保護：當結溫達到 110 - 130°C 時，設備進入熱關斷狀態，防止過熱損壞。
• 先通后斷開關：實現從低電壓到高電壓的無縫過渡，減少電壓下降和直通電流。
• 反向電流阻斷：防止電流回流，保護電源和設備安全。

二、應用場景

筆記本電腦和臺式電腦

在電腦系統中，TPS22981 可用于電源管理，實現不同電壓源之間的切換，為外設提供穩定的電源。例如，在 Thunderbolt 接口中，可根據需要在 3.3V 和高電壓之間切換，滿足不同設備的供電需求。

電源管理系統

在電源管理系統中，TPS22981 可用于控制電源的分配和切換，提高電源的利用效率和可靠性。

三、詳細功能解析

電流限制功能

TPS22981 的高電壓和 V3P3 電源電流限制均可通過外部電阻進行調節。VHV 路徑有兩種模式，可通過 S0 引腳選擇不同的電流限制，滿足不同工作模式（如活動和睡眠）的需求。

電流限制閾值計算

通過公式 (R{SET}=frac{40 k Omega × Amps }{I{LIMTYP }}) 可以計算出設置典型電流限制所需的外部電阻值。同時，根據不同的 (R_{SET}) 值，可確定最小和最大電流限制。

最大電流限制閾值

為防止 ISET 引腳短路時出現過大電流，TPS22981 設有最大電流限制 (I{LIMVHVMAX}) 和 (I{LIM3P3MAX})。

過渡延遲

在設備從 VHV 切換到 V3P3 時，會出現過渡延遲。在此期間，電源開關會關閉，直到輸出電壓接近 V3P3 電壓。如果有負載，輸出電壓可能會降至接近 0V，然后再恢復到 3.3V。

數字控制信號

OUT 引腳的電壓由 EN 和 HV_EN 兩個輸入數字邏輯信號控制。HV_EN 控制 VHV 開關的狀態，EN 控制 V3P3 開關的狀態。

過流限制和短路保護

當負載試圖吸取超過外部 (R_{SET}) 電阻設置的電流限制時，設備將進入恒流模式，降低輸出電壓。所有短路情況都被視為過流情況，設備將限制輸出電流，直到熱關斷或短路情況消除。

反向電流保護

當 V3P3 電源出現反向電流時，V3P3 電源開關將打開，同時觸發放電電流源，將輸出電壓降至接近 V3P3 電壓。

反向電流阻斷

VHV 開關在關閉時可阻止電流從 OUT 流向 VHV。

熱關斷

當結溫達到 (T_{SD}) 時，設備進入熱關斷狀態。結溫下降 10°C 后，設備將恢復之前的狀態。

四、設計與應用要點

典型應用設計

在設計使用 TPS22981 時，需要確保所有并行輸出、電源和接地引腳都正確連接。根據所需的電流限制，使用公式確定 (RSET_S0)、(RSET_S3) 和 (RSET_V3P3) 的值。如果使用 FAULTZ 輸出，需在 FAULTZ 和 V3P3 之間連接一個最小 30kΩ 的電阻。

電源供應建議

電源供應的電流能力應與所選的最大電流限制水平相匹配。VHV 和 V3P3 必須進行適當的去耦，建議在 V3P3 引腳附近連接一個最小 0.1μF 的接地電容。同時，要注意 VHV 線路中的電感，避免在負載斷開時出現過壓情況。

布局指南

• 確保 OUT、V3P3 和 V3P3OUT 引腳的去耦電容直接連接到堅實的接地平面或接地連接，并盡可能靠近各自的引腳。
• 路由 VHV 輸入，以最小化電源源和 VHV 引腳之間的總電感。
• 檢查布局走線寬度，確保其具有足夠的載流能力和合適的電阻壓降。

五、總結

TPS22981 是一款功能強大的電源多路復用器，具有寬電壓范圍、可調電流限制、熱關斷保護等多種特性，適用于多種應用場景。在設計應用時，電子工程師需要根據具體需求合理設置電流限制、選擇合適的電源供應和進行正確的布局，以確保設備的穩定運行。通過深入理解 TPS22981 的功能和設計要點，工程師可以充分發揮其優勢，為電子設備的電源管理提供可靠的解決方案。

你在設計過程中是否遇到過類似電源切換和電流控制的問題？你對 TPS22981 的應用有什么獨特的見解嗎？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。