工業(yè)電流保護(hù)新選擇：TPS2661x系列芯片深度解析
工業(yè)電流保護(hù)新選擇：TPS2661x系列芯片深度解析
在工業(yè)和過程自動(dòng)化系統(tǒng)中，電流輸入、電壓輸入/輸出以及傳感器電源的保護(hù)至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一款能為這些方面提供全面保護(hù)的芯片——TPS2661x系列。
文件下載：tps2661.pdf
一、TPS2661x概述
TPS2661x是德州儀器（TI）推出的一系列專為電流環(huán)路設(shè)計(jì)的保護(hù)器，具備精準(zhǔn)、高效且全面的保護(hù)能力。其工作電壓范圍覆蓋 ±50V，絕對(duì)最大電壓達(dá) ±55V，能適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。
1.1 特點(diǎn)亮點(diǎn)
- 強(qiáng)大的電流限制：集成固定的雙極性32mA電流限制，在啟動(dòng)時(shí)可支持兩倍的電流限制，為設(shè)備啟動(dòng)提供充足動(dòng)力。
- 節(jié)省空間：相比典型的離散保護(hù)電路，能節(jié)省50%的空間，讓電路板設(shè)計(jì)更加緊湊。
- 低導(dǎo)通電阻：典型值僅為7.5Ω，有效減少了電流環(huán)路中的壓降，延長了操作范圍，即使使用低電壓電源也能穩(wěn)定工作。
- 低功耗：當(dāng)由外部電源供電時(shí)，從環(huán)路汲取的電流 (I_{Q}<100nA)，極大降低了功耗。
- 多重保護(hù)功能：對(duì)IN和OUT引腳的誤接線情況提供保護(hù)，還能在信號(hào)線路浪涌（IEC61000 - 4 - 5，需外部TVS）和電氣快速瞬變（IEC61000 - 4 - 4，需外部TVS）時(shí)確保設(shè)備安全。
- 支持多種功能：部分型號(hào)支持無電源環(huán)路測(cè)試（如TPS26610），符合HART通信標(biāo)準(zhǔn)，具備使能控制和系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)功能（SGOOD引腳），還有熱關(guān)斷保護(hù)。
1.2 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
- 工廠自動(dòng)化與控制：可用于PLC的模擬輸入和輸出模塊，保障信號(hào)傳輸穩(wěn)定。
- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制：為電機(jī)提供穩(wěn)定的電流保護(hù)，確保電機(jī)正常運(yùn)行。
- HART輸入：滿足HART通信系統(tǒng)的需求。
- HVAC控制器：在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，保護(hù)電路免受異常電流影響。
- UART IO保護(hù)：防止UART接口因電流異常而損壞。
- 熱控制器：為熱控系統(tǒng)的電流環(huán)路提供可靠保護(hù)。
二、不同型號(hào)性能對(duì)比
| TPS2661x系列包含多個(gè)型號(hào)，如TPS26610、TPS26611、TPS26612、TPS26613和TPS26614，它們?cè)诠δ芎蛻?yīng)用上各有側(cè)重。 | PART NUMBER | EN PIN | LOOP TESTING WITHOUT ±Vs SUPPLIES (LOOP POWER MODE) | EXTENDED OVERLOAD DURATION FOR FIRST OVERLOAD EVENT | LATCH - OFF or AUTO - RETRY WITH INPUT < –Vs | APPLICATION |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS26610 | No | Yes | No | Latch - off | 電流輸入保護(hù) | |
| TPS26611 | Yes | No | No | Latch - off | 多路復(fù)用電壓和電流輸入、模擬輸出保護(hù) | |
| TPS26612 | Yes | No | Yes（過載時(shí)間最長可達(dá)5s） | Latch - off | 發(fā)射器和模擬輸出的電源保護(hù) | |
| TPS26613 | No | Yes | No | Auto - retry | 電流輸入 | |
| TPS26614 | Yes | No | No | Auto - retry | 多路復(fù)用電壓和電流輸入、模擬輸出 |
工程師們?cè)谶x擇型號(hào)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求來綜合考慮。例如，如果需要進(jìn)行無電源環(huán)路測(cè)試，TPS26610和TPS26613會(huì)是不錯(cuò)的選擇；若要對(duì)多路復(fù)用輸入進(jìn)行保護(hù)，TPS26611和TPS26614更為合適。
三、關(guān)鍵特性解析
3.1 過載保護(hù)與快速跳閘
TPS2661x具備固定的32mA典型雙向電流限制。當(dāng)電流試圖超過 (I_{OL}) 限制時(shí)，設(shè)備會(huì)調(diào)節(jié)電流，最終降低輸出電壓。通過MODE引腳可選擇過載電流閾值和保護(hù)時(shí)間。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)快速瞬變事件（如輸出短路、誤接線、熱插拔等），芯片還集成了快速跳閘比較器。在這些事件發(fā)生時(shí)，電流會(huì)迅速增加，由于電流限制放大器帶寬有限，無法快速響應(yīng)，此時(shí)快速跳閘比較器能在短時(shí)間（t(FASTTRIP)）內(nèi)關(guān)閉內(nèi)部FET，之后再緩慢開啟，讓電流限制環(huán)路根據(jù)MODE引腳配置調(diào)節(jié)輸出電流。
3.2 單向電流輸入的反向電流阻斷
對(duì)于TPS26610、TPS26611和TPS26612，通過將負(fù)載電阻連接到GND并使用單電源（+Vs, GND），可以有效阻斷反向電流（OUT到IN），當(dāng)IN引腳電壓為負(fù)時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切斷反向電流。
3.3 過壓、欠壓時(shí)的輸出和輸入切斷
| 各型號(hào)在過壓、欠壓以及誤接線保護(hù)上有所不同： | Device | Output Overvoltage | Output Undervoltage | Input Undervoltage |
|---|---|---|---|---|
| TPS26610 | Y | Y | Y | |
| TPS26611 | Y | Y | Y | |
| TPS26612 | Y | Y | ||
| TPS26613 | Y | Y | N | |
| TPS26614 | Y | Y | N |
當(dāng) (V{OUT}) 超過 (V{OUT_OVLO}) 閾值時(shí)，內(nèi)部的通路FET會(huì)關(guān)閉，切斷信號(hào)路徑；當(dāng) (V{OUT}) 低于 ([V{OUT_OVLO} - V_{OUT_OVLO_Hyst}]) 時(shí)，信號(hào)路徑會(huì)恢復(fù)。對(duì)于輸入和輸出欠壓，不同型號(hào)也有相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。
3.4 外部電源供電
TPS2661x由外部 +Vs/–Vs 電源供電，確保不會(huì)從攜帶電流信息的IN/OUT引腳汲取電流。對(duì)于需要正負(fù)電壓的系統(tǒng)，可使用雙電源（+Vs和–Vs）；對(duì)于僅需正電壓的系統(tǒng)，使用單電源（+Vs和GND）即可。不同型號(hào)在電源電壓范圍上有一定差異，如TPS26610、TPS26611、TPS26613和TPS26614在單電源供電時(shí)可從 +3V 到 +30V，TPS26612則從 +4V 到 +30V。
3.5 無 ±Vs 電源的環(huán)路測(cè)試（僅TPS26610、TPS26613）
這兩款型號(hào)在外部 +Vs/–Vs 電源不存在時(shí)，仍允許雙極性電流受限傳導(dǎo)。設(shè)備會(huì)切換到環(huán)路供電模式，從4 - 20mA 或 ±20mA 電流環(huán)路中獲取工作電源。這一特性方便現(xiàn)場(chǎng)安裝工程師在不開啟系統(tǒng)的情況下，通過向電流環(huán)路通入測(cè)試電流來檢查整個(gè)電流環(huán)路系統(tǒng)的布線情況，也有助于設(shè)計(jì)安全關(guān)鍵的冗余系統(tǒng)。在環(huán)路測(cè)試時(shí)，設(shè)備有一定的電壓降 (V{(IN - OUT)no_Vs})，電流限制為 (I{OL_noVs})，并且當(dāng)功率耗散超過500mW（典型值）時(shí)，會(huì)進(jìn)行熱保護(hù)，短時(shí)間關(guān)閉內(nèi)部FET以限制功率。
3.6 使能控制（僅TPS26611、TPS26612、TPS26614）
這三款型號(hào)帶有EN引腳，可通過GPIO引腳進(jìn)行外部控制。EN引腳內(nèi)部有上拉電阻，可懸空使設(shè)備啟用，也可通過外部電壓使其高于 (V{(ENR)}) 來啟用，當(dāng)EN引腳電壓低于 (V{(ENF)}) 時(shí)，內(nèi)部FET會(huì)關(guān)閉。這一功能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了更多的靈活性，可用于設(shè)計(jì)通用的電壓和電流模擬輸入輸出模塊。
3.7 信號(hào)良好指示器（SGOOD）
SGOOD引腳用于指示通過通路FET的電流信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備正常工作時(shí)，SGOOD引腳輸出低電平；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常（如電流超過 (I_{OL}) 、OUT超出 +Vs/–Vs 電源范圍、IN低于 –Vs 電源軌（僅TPS26610、TPS26611、TPS26612）、設(shè)備因熱限制或電流限制而關(guān)閉）時(shí)，SGOOD引腳會(huì)變?yōu)楦唠娖?。該引腳還能驅(qū)動(dòng)外部LED，直觀顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
3.8 設(shè)備功能模式
通過MODE引腳可配置設(shè)備在不同電流下的行為：
- MODE = GND：當(dāng) (I{OUT}>I{OL}) 時(shí)，設(shè)備將電流限制在 (I_{OL}) 值。
- MODE = OPEN：對(duì)于 (I{OL}
- MODE = 180 kΩ：對(duì)于 (I{OL}
四、應(yīng)用案例分析
4.1 模擬輸入保護(hù)（TPS26610）
在模擬輸入模塊的電流輸入保護(hù)中，TPS26610可發(fā)揮重要作用。其雙極性電流限制為 ±32mA，能保護(hù)精密負(fù)載電阻和ADC前端免受異常電壓和電流的影響。同時(shí)，IN引腳的高電壓額定值使其能有效抵御浪涌和EFT事件。在設(shè)計(jì)時(shí)，需合理選擇 ±Vs 電源、負(fù)載電阻 (R_{Burden}) 和MODE配置。例如，為使負(fù)載電阻功耗最小，可選擇MODE = GND。
4.2 多路復(fù)用電流和電壓輸入保護(hù)（TPS26611）
TPS26611適用于模擬輸入模塊的多路復(fù)用輸入保護(hù)。通過連接IN和OUT引腳到ADC的不同通道，結(jié)合EN引腳可實(shí)現(xiàn)電流和電壓測(cè)量的切換。在設(shè)計(jì)時(shí)，除了選擇合適的 ±Vs 電源和MODE配置外，還需選擇合適的偏置電阻R1和R2來設(shè)置電壓輸入的共模電壓。
4.3 兩線發(fā)射器電源保護(hù)（TPS26612）
TPS26612可用于保護(hù)為兩線現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器供電的電源。在電源啟動(dòng)后的第一次過載故障中，其過載過期時(shí)間（ (t{OL_expiry}) ）在 (t{AR_dis}) （5秒）內(nèi)禁用，這使得它能夠啟動(dòng)需要長時(shí)間高啟動(dòng)電流的兩線發(fā)射器。啟動(dòng)時(shí)的電流限制閾值可通過MODE引腳選擇。
4.4 其他應(yīng)用
TPS26611和TPS26612還可用于保護(hù)3/4線發(fā)射器和模擬輸出模塊、UART IO線路等。通過監(jiān)測(cè)OUT引腳電壓，當(dāng)電壓超出 +Vs/–Vs 電源范圍時(shí)，F(xiàn)ET會(huì)切斷電流傳導(dǎo)路徑，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。TPS26613和TPS26614在輸入電壓小于 –Vs 時(shí)提供自動(dòng)重試功能，可支持更高的環(huán)路阻抗。
五、電源與布局建議
5.1 電源建議
| 不同型號(hào)的TPS2661x在電源選擇上有所不同，具體如下： | Device | Dual Supply (±Vs) | Single Supply (+Vs, GND) |
|---|---|---|---|
| TPS26610、TPS26611、TPS26613、TPS26614 | +Vs: 2.25 V to 30 V, –Vs: –20 V to 0 V | +Vs: 3 V to 30 V, –Vs: GND | |
| TPS26612 | +Vs: 2.25 V to 30 V, –Vs: –20 V to 0 V | +Vs: 4 V to 30 V, –Vs: GND |
使用雙電源時(shí)，+Vs 和 –Vs 之間的最小差值為3V。若要進(jìn)行單電源反向電流阻斷，可參考相關(guān)章節(jié)。
5.2 布局指南
- 盡量縮短環(huán)路電流功率路徑，減少干擾。
- 將 (R_{MODE}) 電阻靠近設(shè)備的MODE和GND引腳放置。
- 為保護(hù)輸入免受IEC61000 - 4 - 5浪涌瞬變影響，將TVS靠近設(shè)備的IN引腳放置。
- 如果 ±V (pm V_{s}) 電源離設(shè)備較遠(yuǎn)，在設(shè)備附近放置至少100nF的陶瓷電容器。
- 將 (R_{burden}) 的兩端差分路由到ADC輸入（AINP, AINM）。
- 使EN和SGOOD信號(hào)線遠(yuǎn)離環(huán)路電流，避免數(shù)字噪聲干擾。
六、總結(jié)與思考
綜上所述，TPS2661x系列芯片憑借其豐富的功能、強(qiáng)大的保護(hù)能力和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為工業(yè)電流環(huán)路保護(hù)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們還需要根據(jù)具體的電路要求和系統(tǒng)環(huán)境，仔細(xì)選擇合適的型號(hào)和配置參數(shù)。例如，如何在不同的MODE配置下優(yōu)化系統(tǒng)性能？怎樣根據(jù)電源情況和布線環(huán)境，合理設(shè)計(jì)電路板布局以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢(shì)？這些問題都值得我們進(jìn)一步深入研究和探索。希望本文能為工程師們?cè)谑褂肨PS2661x系列芯片時(shí)提供一些有用的參考和思路。
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TPS2661x：具有輸入和輸出誤接線保護(hù)功能的50V通用4mA-20mA、±20mA電流環(huán)路保護(hù)器數(shù)據(jù)表
使用TPS2661x保護(hù)模擬輸入和輸出模塊中的HART I/O
TPS2661 50V 通用 4-20mA、±20mA 電流回路保護(hù)器數(shù)據(jù)手冊(cè)
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