電子工程師的寶藏：TPS25948xx eFuse深度剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理與電路保護(hù)一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們來深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的TPS25948xx系列eFuse，這是一款高度集成的電路保護(hù)與電源管理解決方案，在眾多應(yīng)用場景中都能大顯身手。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

寬電壓范圍與雙向供電

TPS25948xx的工作輸入電壓范圍為3.5V至23V，絕對最大電壓可達(dá)28V，而且既可以從IN引腳供電，也能從OUT引腳供電，這種靈活性為設(shè)計(jì)帶來了更多的可能性。想象一下，在不同電源環(huán)境下，它都能穩(wěn)定工作，是不是很讓人省心？

低導(dǎo)通電阻與理想二極管功能

該系列集成了背靠背的FET，典型導(dǎo)通電阻 (R_{ON}) 僅為12.2mΩ，能有效降低功率損耗。同時(shí)，它具備理想二極管操作和真正的反向電流阻斷（RCB）功能，就像給電路加了一道安全鎖，防止反向電流對電路造成損害。而且，通過外部引腳控制（RCBCTRL），還能在穩(wěn)態(tài)下禁用RCB，實(shí)現(xiàn)雙向功率傳輸，滿足USB OTG或DRP操作的需求。

多重保護(hù)機(jī)制

• 過壓保護(hù)：具備可調(diào)節(jié)的過壓鎖定（OVLO）功能，響應(yīng)時(shí)間僅1μs（典型值），能快速切斷電源，保護(hù)電路免受過高電壓的沖擊。
• 過流保護(hù)：可調(diào)節(jié)的過流閾值（ (I{LIM }) ）范圍為1A - 9A，精度在 (I{LIM }>3A) 時(shí)最大為±10%，還帶有負(fù)載電流監(jiān)控輸出（ILM）。同時(shí)，可調(diào)節(jié)的瞬態(tài)消隱定時(shí)器（ITIMER）允許峰值電流超過 (I_{LIM }) ，適應(yīng)電路中的瞬態(tài)情況。
• 短路保護(hù)：快速跳閘響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間小于1μs（典型值），而且閾值可調(diào)節(jié)或固定，能在短路瞬間切斷電路，保障設(shè)備安全。
• 欠壓鎖定：使能輸入具有可調(diào)的欠壓鎖定閾值（UVLO），防止設(shè)備在電壓過低時(shí)不穩(wěn)定工作。
• 過溫保護(hù)：內(nèi)置過熱保護(hù)機(jī)制，當(dāng)芯片溫度過高時(shí)自動關(guān)閉，保護(hù)芯片不被燒毀。

數(shù)字輸出與認(rèn)證

提供數(shù)字輸出信號，如電源良好（SPLYGD/SPLYGD）和故障指示（FLT），方便用戶監(jiān)控電路狀態(tài)。此外，該產(chǎn)品還計(jì)劃獲得UL 2367認(rèn)證和IEC 62368 - 1 CB認(rèn)證，說明其安全性和可靠性得到了國際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可。

小封裝大作用

采用2.4mm × 1.7mm的PowerWCSP封裝，引腳間距僅0.5mm，在節(jié)省電路板空間的同時(shí)，還具有良好的熱性能，非常適合對空間要求較高的應(yīng)用。

二、應(yīng)用場景廣泛

適配器與充電器輸入保護(hù)

在適配器和充電器中，TPS25948xx可以保護(hù)電路免受過壓、過流和短路的影響，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。比如手機(jī)充電器，當(dāng)輸入電壓異常升高或出現(xiàn)短路情況時(shí)，它能迅速切斷電源，防止損壞手機(jī)電池和其他內(nèi)部電路。

USB PD保護(hù)

在智能手機(jī)、平板電腦、PC、筆記本、顯示器和擴(kuò)展塢等設(shè)備的USB PD端口中，該eFuse可以提供全面的保護(hù)，確保設(shè)備在充電和數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全。例如，當(dāng)連接到不穩(wěn)定的電源時(shí)，它能避免過高的電壓損壞USB接口和設(shè)備內(nèi)部電路。

服務(wù)器與存儲系統(tǒng)

在服務(wù)器主板、附加卡以及企業(yè)存儲設(shè)備（如HBA、SAN和eSSD）中，TPS25948xx可以有效管理電源，保護(hù)關(guān)鍵組件，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少因電源問題導(dǎo)致的故障。

電源多路復(fù)用與ORing應(yīng)用

在需要多個(gè)電源供電的系統(tǒng)中，它可以實(shí)現(xiàn)電源的無縫切換和共享，確保系統(tǒng)在不同電源之間平穩(wěn)過渡，避免電源沖突和電壓波動。

三、詳細(xì)技術(shù)解讀

工作原理概述

TPS25948xx通過監(jiān)測IN和OUT總線電壓來啟動工作。當(dāng)電源電壓超過欠壓保護(hù)閾值時(shí)，它會采樣EN/UVLO引腳，高電平使能內(nèi)部功率路徑，允許電流在IN和OUT之間流動；低電平則關(guān)閉內(nèi)部功率路徑。啟動成功后，它會持續(xù)監(jiān)測負(fù)載電流和總線電壓，控制內(nèi)部HFET以確保不超過用戶可調(diào)節(jié)的過流和過壓閾值。

功能模塊詳解

1. 欠壓鎖定（UVLO和UVP）

該功能可防止輸入和輸出電壓過低，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。默認(rèn)的欠壓保護(hù)閾值 (VUVP) 是內(nèi)部固定的，但通過EN/UVLO引腳的UVLO比較器，可以外部調(diào)整到用戶定義的值。我們可以通過一個(gè)電阻分壓器來設(shè)置UVLO設(shè)定點(diǎn)，公式為 (V{IN(UV)} = V{UVLO(F)} times frac{R1 + R2}{R2}) 。

2. 過壓鎖定（OVLO）

用戶可以通過OVLO引腳的內(nèi)部快速比較器調(diào)節(jié)過壓鎖定閾值，以保護(hù)系統(tǒng)免受電源過壓的影響。當(dāng)OVLO引腳電壓超過上升閾值 (V{OV(R)}) 時(shí)，設(shè)備會關(guān)閉兩個(gè)FET以切斷功率路徑；當(dāng)電壓下降到下降閾值 (V{OV(F)}) 以下時(shí)，F(xiàn)ET會再次開啟。在從OVLO事件恢復(fù)時(shí)，設(shè)備會繞過浪涌電流控制（dVdt），以限流方式啟動，提供更快的開啟速度，減少電源瞬態(tài)期間的電壓降。

3. 浪涌電流、過流和短路保護(hù)

• 浪涌電流控制（dVdt）：在熱插拔事件或給大輸出電容充電時(shí)，可能會產(chǎn)生大的浪涌電流。通過連接一個(gè)電容到dVdt引腳，可以控制上升斜率，降低浪涌電流。公式 (I{INRUSH}(mA) = C{OUT}(mu F) times SR{ON}(V / ms)) 可以用來計(jì)算限浪涌電流所需的斜率， (C{dVdt}(pF)=frac{5000}{SR_{ON}(V / ms)}) 可計(jì)算產(chǎn)生給定斜率所需的電容值。
• 主動電流限制：當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定的過流閾值 (I{LIM }) （由ILM引腳電阻 (R{ILM }) 設(shè)置）但低于短路閾值時(shí)，設(shè)備會通過內(nèi)部1.9μA下拉電流對ITIMER引腳電容放電。如果在電容放電達(dá)到 (Delta V{ITIMER }) 之前負(fù)載電流下降到過流閾值以下，ITIMER會被內(nèi)部拉高復(fù)位，不啟動限流操作；如果過流情況持續(xù)，電流限制將調(diào)節(jié)HFET以將電流限制在 (I{LIM }) 。公式 (R{ILM}(Omega)=frac{4834}{I{LIM}(A)}) 可計(jì)算設(shè)定過流閾值所需的 (R{ILM }) 值， (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms) times I{ITIMER}(mu A)}{Delta V{ITIMER}(V)}) 可計(jì)算設(shè)定瞬態(tài)過流消隱間隔所需的 (C{ITIMER}) 值。
• 短路保護(hù)：在輸出短路事件中，當(dāng)檢測到嚴(yán)重過流情況時(shí)，設(shè)備會觸發(fā)快速跳閘響應(yīng)。TPS259480x/2x變體采用可擴(kuò)展的閾值 (I{SC}=2 times I{LIM }) ，同時(shí)也有固定的快速跳閘閾值 (I_{FFT}) ；TPS259481x/3x變體僅采用固定的快速跳閘閾值。一旦電流超過閾值，HFET會在極短時(shí)間內(nèi)完全關(guān)閉，之后會嘗試以限流方式重新開啟。

4. 模擬負(fù)載電流監(jiān)測

通過ILM引腳提供與FET電流成正比的模擬電流檢測輸出，用戶可以通過測量 (R{ILM }) 上的電壓 (V{ILM }) 來監(jiān)測輸出負(fù)載電流，公式為 (I{LOAD}(A)=frac{V{IMON}(mu V)}{R{ILM}(Omega) times G{IMON}(mu A / A)}) 。需要注意的是，ILM引腳對電容負(fù)載敏感，設(shè)計(jì)和布局時(shí)要確保寄生電容小于50pF，以保證穩(wěn)定運(yùn)行。

5. 反向電流保護(hù)

TPS25948xx像一個(gè)理想的二極管，在所有條件下都能阻止反向電流從OUT流向IN。它通過集成的背靠背MOSFET和線性O(shè)Ring控制方案，調(diào)節(jié)正向壓降 (V{FWD}) ，確保幾乎沒有直流反向電流流動。同時(shí)，還采用傳統(tǒng)的比較器（ (V{REVTH}) ）進(jìn)行反向阻斷，對瞬態(tài)反向電流提供快速響應(yīng)。進(jìn)入反向電流阻斷狀態(tài)后，需要（ (V{IN } - V{OUT }) ）正向壓降超過 (V_{FWDTH}) 才會恢復(fù)到全正向?qū)顟B(tài)，以防止電源噪聲或紋波影響反向電流阻斷響應(yīng)。

6. 過溫保護(hù)（OTP）

該功能實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)部管芯溫度 (T{J}) ，當(dāng)溫度超過安全操作水平（TSD）時(shí)，設(shè)備會立即關(guān)閉，直到管芯溫度下降到（TSD - (TSD{HYS}) ）以下才會重新開啟。不同變體在過溫保護(hù)后的恢復(fù)方式有所不同，TPS25948xL（鎖存關(guān)閉變體）需要電源循環(huán)或重新使能才能恢復(fù)；TPS25948xA（自動重試變體）在冷卻 (TSD{HYS}) 后，會在額外延遲 (t{RST}) 后自動重試開啟。

7. 故障響應(yīng)與指示（FLT）

(1) Applicable to TPS259480x variants only.

8. 電源良好指示（SPLYGD/SPLYGD）

該數(shù)字輸出信號在優(yōu)先輸入電源處于有效范圍（高于UVP/UVLO且低于OVLO閾值）且設(shè)備成功完成浪涌電流序列時(shí)被置位。不同變體的SPLYGD極性不同，TPS259480x/2x/3x變體為高電平有效，TPS259481x變體為低電平有效。該引腳可用于控制輔助通道或向負(fù)載或系統(tǒng)監(jiān)控器指示電源狀態(tài)。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

智能手機(jī)USB OTG應(yīng)用

在智能手機(jī)的USB OTG功能中，TPS259482x可以作為雙向功率開關(guān)。當(dāng)外部充電器連接到USB端口時(shí)，它提供從IN引腳到OUT引腳的導(dǎo)通路徑，同時(shí)提供過壓和過流保護(hù)；當(dāng)連接外部配件時(shí)，手機(jī)MCU可以拉低RCBCTRL引腳，允許電流從OUT引腳流向IN引腳，為配件提供高功率。

設(shè)計(jì)步驟

• 設(shè)置過壓閾值：根據(jù)公式 (V{IN(OV)}=frac{V{OV(R)} times (R1 + R2)}{R2}) ，選擇合適的電阻R1和R2來設(shè)置過壓保護(hù)閾值。例如，已知 (V{OV(R)} = 1.2V) ， (V{IN(OV)} = 22V) ，選擇 (R1 = 470kOmega) ，可計(jì)算出 (R2 = 27.11kOmega) ，然后選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值 (R2 = 26.7kOmega) 。
• 設(shè)置輸出電壓上升時(shí)間：首先根據(jù)公式 (SR(V / ms)=frac{V{IN}(V)}{t{R}(ms)}) 計(jì)算達(dá)到期望輸出上升時(shí)間所需的斜率，再根據(jù) (C{dVdt}(pF)=frac{5000}{SR(V / ms)}) 計(jì)算所需的 (C{dVdt}) 電容值。例如，期望輸出上升時(shí)間 (t{R} = 12ms) ，輸入電壓 (V{IN} = 20V) ，則斜率 (SR = 1.67V / ms) ， (C_{dVdt} = 2994pF) ，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值3000pF。
• 設(shè)置過流閾值：根據(jù)公式 (R{ILM}(Omega)=frac{4834}{I{LIM}(A)}) 計(jì)算設(shè)置過流閾值所需的 (R{ILM }) 電阻值。例如，過流閾值 (I{LIM } = 5.5A) ，則 (R_{ILM } = 879Omega) ，選擇最接近的1%標(biāo)準(zhǔn)電阻值866Ω。
• 設(shè)置過流消隱間隔：根據(jù)公式 (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms) times I{ITIMER}(mu A)}{Delta V{ITIMER}(V)}) 計(jì)算設(shè)置過流消隱間隔所需的 (C{ITIMER}) 電容值。例如，過流消隱間隔 (t{ITIMER} = 2ms) ，則 (C_{ITIMER} = 2.51nF) ，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值2.2nF。

五、布局與電源建議

布局指南

• 在IN和GND引腳之間連接一個(gè)0.1μF或更大的陶瓷去耦電容，位置要盡可能靠近器件的IN和GND引腳，以減少旁路電容連接、IN引腳和IC的GND引腳形成的環(huán)路面積。
• 高電流功率路徑連接要盡可能短，尺寸要能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND引腳要通過最短的走線連接到PCB接地平面，建議為eFuse設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的接地平面島，作為所有關(guān)鍵模擬信號的安靜接地參考，并通過星型連接與系統(tǒng)電源接地平面相連。
• IN和OUT焊盤用于散熱，要通過熱過孔盡可能多地連接到PCB頂層和底層的銅面積，以降低電壓梯度，均勻分配電流。
• 將支持組件（如 (R{ILM }) 、 (C{dVdt}) 、 (C_{ITIMER}) 以及EN/UVLO和OVLO引腳的電阻）靠近其連接引腳放置，并將組件的另一端通過最短的走線連接到器件的GND引腳，以減少寄生效應(yīng)。同時(shí)，要確保ILM引腳的寄生電容小于50pF，且走線遠(yuǎn)離任何噪聲（開關(guān)）信號。
• 保護(hù)器件（如TVS、緩沖器、電容或二極管）要靠近被保護(hù)的器件放置，走線要短，以減少電感。例如，建議在OUT和GND之間添加一個(gè)1μF或更大的陶瓷去耦電容，并在OUT引腳附近放置一個(gè)保護(hù)肖特基二極管，以應(yīng)對電感負(fù)載切換產(chǎn)生的負(fù)瞬態(tài)。

電源建議

• TPS25948x適用于3.5V至23V的電源電壓范圍。如果輸入電源距離器件超過幾英寸，建議在輸入使用一個(gè)大于0.1μF的陶瓷旁路電容。
• 電源的額定電流要大于設(shè)定的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現(xiàn)電壓降。
• 對于瞬態(tài)保護(hù)，要采取措施減少器件輸入和輸出的電感，如使用大的PCB GND平面、連接肖特基二極管和低ESR電容等。在某些情況下，可能需要添加瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）來防止瞬態(tài)電壓超過器件的絕對最大額定值。

六、總結(jié)

TPS25948xx系列eFuse以其豐富的功能、廣泛的應(yīng)用場景和出色的性能，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的電源管理和電路保護(hù)解決方案。無論是在智能手機(jī)、服務(wù)器還是存儲系統(tǒng)等領(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用，幫助我們設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定、更可靠的電子設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇和配置該器件，并注意布局和電源設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用類似eFuse產(chǎn)品時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。