TPS25982：智能eFuse的卓越性能與應(yīng)用解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理和電路保護(hù)至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS25982系列智能eFuse為這一領(lǐng)域帶來了強(qiáng)大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入探討一下TPS25982的特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TPS25982概述

TPS25982是一款高度集成的電路保護(hù)和電源管理解決方案，采用小巧的4mm × 4mm QFN封裝。它能在2.7V至24V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，絕對(duì)最大輸入電壓可達(dá)30V，適用于多種不同電壓和電流需求的系統(tǒng)。

（一）主要特性

1. 低導(dǎo)通電阻：典型導(dǎo)通電阻 (R_{ON}=2.7mΩ)，能有效降低功率損耗，提高系統(tǒng)效率。
2. 可調(diào)電流限制：電流限制閾值可在2A至15A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，精度在 (I_{LIM }>5A) 時(shí)典型為± 8%，能根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活設(shè)置。
3. 多種保護(hù)功能
   • 過壓保護(hù)：有多種固定過壓閾值可供選擇，包括3.7V、7.6V、16.9V以及無過壓鎖定（OVLO）選項(xiàng)，能有效保護(hù)負(fù)載免受輸入過壓的影響。
   • 過流保護(hù)：具備可調(diào)過流消隱定時(shí)器，可處理負(fù)載瞬變而不觸發(fā)跳閘；還提供斷路器和電流限制器兩種選項(xiàng)，能快速響應(yīng)過流故障。
   • 短路保護(hù)：快速跳閘響應(yīng)時(shí)間典型小于400ns，經(jīng)過100萬次電源短路事件測(cè)試，且對(duì)線路瞬變免疫，不會(huì)誤跳閘。
   • 欠壓鎖定：可調(diào)節(jié)欠壓鎖定閾值，確保在輸入電壓過低時(shí)關(guān)閉輸出，保護(hù)下游負(fù)載。
   • 過溫保護(hù)：集成過溫保護(hù)功能，當(dāng)內(nèi)部溫度超過安全范圍時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)器件。
4. 精確的電流監(jiān)測(cè)：模擬輸出負(fù)載電流監(jiān)測(cè)功能，精度在 (I_{OUT}>3A) 時(shí)典型為± 1.5%，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)負(fù)載電流。
5. 用戶可配置的故障響應(yīng)：可選擇鎖存關(guān)閉或自動(dòng)重試模式，還能設(shè)置重試次數(shù)（有限或無限）和重試間隔，方便應(yīng)對(duì)不同的故障情況。
6. 可調(diào)輸出壓擺率控制：通過連接外部電容到dVdt引腳，可調(diào)節(jié)輸出壓擺率，控制浪涌電流。
7. 電源良好指示：PG引腳提供電源良好指示，方便系統(tǒng)監(jiān)控電源狀態(tài)。
8. 可調(diào)負(fù)載檢測(cè)和握手定時(shí)器：LDSTRT引腳可用于負(fù)載檢測(cè)和握手功能，增加系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的控制靈活性。
9. 認(rèn)證齊全：獲得UL 2367認(rèn)證（文件編號(hào)E339631）和IEC 62368 CB認(rèn)證，確保產(chǎn)品的安全性和可靠性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPS25982適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，以下是一些典型應(yīng)用：

1. 熱插拔和熱插拔保護(hù)：可用于服務(wù)器備用電源軌、PCIe擴(kuò)展卡、附加卡和風(fēng)扇模塊的保護(hù)，確保在熱插拔過程中設(shè)備的安全。
2. 路由器和交換機(jī)光模塊保護(hù)：為光模塊提供過流、過壓等保護(hù)，保證光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3. 工業(yè)PC：在工業(yè)環(huán)境中，為工業(yè)PC提供可靠的電源管理和保護(hù)，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。
4. 數(shù)字電視：用于數(shù)字電視的電源管理，確保電視的正常運(yùn)行。

三、詳細(xì)功能解析

（一）欠壓保護(hù)（UVLO和UVP）

TPS25982通過內(nèi)部的欠壓保護(hù)電路，在輸入電壓過低時(shí)關(guān)閉輸出，保護(hù)下游負(fù)載。同時(shí)，還可以通過EN/UVLO引腳的電阻分壓器設(shè)置用戶自定義的欠壓保護(hù)閾值。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意電阻的選擇，既要保證電阻足夠大以減少電源到地的恒定泄漏電流，又要使電阻網(wǎng)絡(luò)中的電流比EN/UVLO引腳的泄漏電流大20倍以上，以減少電阻分壓器比例的誤差。

（二）過壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)輸入電壓超過過壓保護(hù)閾值 (V{OVP(R)}) 時(shí)，設(shè)備會(huì)在 (t{OVP}) 時(shí)間內(nèi)關(guān)閉輸出。只要過壓條件存在，設(shè)備就會(huì)保持禁用狀態(tài)，直到輸入電壓恢復(fù)到正常工作范圍才會(huì)嘗試重新啟動(dòng)。TPS25982提供多種固定過壓閾值的選項(xiàng)，方便用戶根據(jù)不同需求選擇。

（三）浪涌電流、過流和短路保護(hù)

1. 壓擺率和浪涌電流控制（dVdt）：在熱插拔或?qū)Υ筝敵鲭娙莩潆姇r(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生大的浪涌電流。TPS25982通過集成的輸出壓擺率（dVdt）控制來管理啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流?？梢酝ㄟ^連接外部電容到dVdt引腳來控制上升壓擺率，降低浪涌電流。公式 (SR(V / ms)=frac{INRUSH(mA)}{C{OUT}(mu F)}) 可用于計(jì)算限制浪涌電流所需的壓擺率，公式 (C{dVdt}(pF)=frac{4600}{SR(V / ms)}) 可用于計(jì)算產(chǎn)生給定壓擺率所需的 (C_{dVdt}) 電容值。
2. 斷路器（Circuit Breaker）：TPS25982xO（斷路器）變體在輸出過流時(shí)，會(huì)在用戶可調(diào)的瞬態(tài)故障消隱間隔后關(guān)閉輸出。當(dāng)負(fù)載電流超過編程的電流限制閾值 (I{LIM}) 但低于快速跳閘閾值（2.1 × (I{LIM})）時(shí)，設(shè)備會(huì)開始通過內(nèi)部下拉電流 (I{ITIMER}) 對(duì)ITIMER引腳電容放電。如果負(fù)載電流在ITIMER電容電壓下降 (Delta V{ITIMER}) 之前降至電流限制閾值以下，斷路器不會(huì)動(dòng)作；否則，斷路器會(huì)立即關(guān)閉FET。可以使用公式 (R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計(jì)算所需的 (R_{ILIM}) 值。
3. 主動(dòng)電流限制（Active Current Limiting）：TPS25982xL（電流限制器）變體在輸出過流時(shí)，會(huì)在用戶可調(diào)的故障消隱間隔后主動(dòng)將電流調(diào)節(jié)到設(shè)定的限制值。當(dāng)負(fù)載電流超過編程的電流限制閾值 (I{LIM}) 但低于快速跳閘閾值（2.1 × (I{LIM})）時(shí)，設(shè)備會(huì)開始對(duì)ITIMER引腳電容放電。如果負(fù)載電流在ITIMER電容電壓下降 (Delta V{ITIMER}) 之前降至電流限制閾值以下，電流限制不會(huì)動(dòng)作；否則，設(shè)備會(huì)調(diào)節(jié)FET柵極電壓，將輸出電流限制在設(shè)定的 (I{LIM}) 水平。同樣可以使用公式 (R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計(jì)算所需的 (R_{ILIM}) 值。
4. 短路保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到輸出短路時(shí)，內(nèi)部快速跳閘比較器會(huì)在 (t{SC}) 時(shí)間內(nèi)關(guān)閉輸出?？焖偬l閾值為2.1 × (I{LIM})，用戶可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整。在快速跳閘事件后，設(shè)備會(huì)以電流限制模式重新啟動(dòng)，嘗試恢復(fù)對(duì)負(fù)載的供電。如果故障持續(xù)存在，設(shè)備會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。

（四）過溫保護(hù)（OTP）

設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部芯片溫度 (T_{J})，當(dāng)溫度超過安全工作水平（TSD）時(shí)，會(huì)立即關(guān)閉設(shè)備，防止設(shè)備損壞。只有當(dāng)芯片溫度降至（TSD - TSDHys）以下時(shí)，設(shè)備才會(huì)根據(jù)配置選擇保持鎖存關(guān)閉或自動(dòng)重啟。

（五）模擬負(fù)載電流監(jiān)測(cè)（IMON）

IMON引腳提供與FET電流成比例的模擬電流，用戶可以通過連接電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)輸出負(fù)載電流。內(nèi)部放大器采用基于斬波的失調(diào)消除技術(shù)，即使在較低電流和不同溫度下也能提供準(zhǔn)確的測(cè)量。建議將IMON引腳的最大電壓限制在推薦值范圍內(nèi)，并添加RC低通濾波器以過濾干擾，獲得平滑的平均電流測(cè)量值。

（六）電源良好（PG）

PG是一個(gè)高電平有效、開漏輸出的引腳，用于指示FET是否完全導(dǎo)通以及輸出電壓是否達(dá)到最大值。上電后，PG引腳初始為低電平，當(dāng)FET柵極電壓達(dá)到（(V{IN}+3.6V)）時(shí)，PG引腳在消隱時(shí)間 (t{PGD}) 后被置高。在正常運(yùn)行時(shí)，如果 (V{OUT}) 低于（(V{IN}-V{PGTHD})），PG引腳會(huì)在消隱時(shí)間 (t{PGD}) 后被置低。

（七）負(fù)載檢測(cè)/握手（LDSTRT）

LDSTRT引腳為下游負(fù)載電路提供了一種向TPS25982指示負(fù)載存在并成功上電的機(jī)制。當(dāng)TPS25982完成啟動(dòng)序列且輸出達(dá)到滿電壓時(shí)，會(huì)斷言PG信號(hào)，并開始通過內(nèi)部電流源 (I{LDSTRT}) 對(duì)LDSTRT引腳電容 (C{LDSTRT}) 充電。如果LDSTRT引腳電壓在負(fù)載電路將其拉低之前上升超過 (V{LDSTRT})，TPS25982會(huì)檢測(cè)到LDSTRT故障并關(guān)閉FET?？梢允褂霉?(LDSTRT(ms)=frac{C{LDSTRT}(nF) × V{LDSTRT}(V)}{I{LDSTRT}(mu A)}) 計(jì)算觸發(fā)LDSTRT故障的時(shí)間。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

（一）數(shù)據(jù)中心服務(wù)器備用電源軌保護(hù)

以數(shù)據(jù)中心服務(wù)器備用電源軌保護(hù)為例，設(shè)計(jì)要求如下：

• 輸入電壓 (V_{IN}=12V)
• 欠壓鎖定設(shè)定點(diǎn) (V_{IN UVLO}=10.8V)
• 最大負(fù)載電流 (I_{OUT}=12A)
• 電流限制 (I_{LIM}=15A)
• 瞬態(tài)過流消隱間隔 (t_{ITIMER}=2ms)
• 負(fù)載電容 (C_{OUT}=1.4mF)
• 啟動(dòng)時(shí)負(fù)載 (R_{L(SU)}=10Ω)
• 輸出電壓上升時(shí)間 (T_{dVdt}=20ms)
• 最大環(huán)境溫度 (T_{A}=70°C)
• LDSTRT握手延遲 (t_{LDSTRT}=60ms)
• 重試延遲 (t_{RETRY_DLY}=100ms)
• 重試次數(shù) (N_{RETRY}=4)

設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 設(shè)備選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇TPS259824O變體。
2. 設(shè)置電流限制閾值 (R_{ILIM})：使用公式 (R{ILIM}(Omega)=frac{1460}{I{LIM}(A)-0.11}) 計(jì)算 (R{ILIM}) 值，對(duì)于 (I{LIM}=15A)，計(jì)算得到 (R_{ILIM}=98.05Ω)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值100Ω，1%。
3. 設(shè)置欠壓鎖定設(shè)定點(diǎn)：使用外部電阻分壓器 (R{VL 1}) 和 (R{VL 2}) 調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）跳閘點(diǎn)。從設(shè)備電氣規(guī)格可知，UVLO上升閾值 (V{UVLO(R)}=1.2V)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求 (V{IN UVLO}=10.8V)，選擇 (R{VL 1}=1MΩ)，使用公式 (V{IN UVLO}=frac{V{UVLO(R)} × (R{VL 1}+R{VL 2})}{R{VL 2}}) 計(jì)算得到 (R{VL 2}=125kΩ)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻值 (R{VL 1}=1MΩ)，(R_{VL 2}=125kΩ)。
4. 選擇電流監(jiān)測(cè)電阻 (R_{IMON})：根據(jù)公式 (R{IMON}(Omega)=frac{V{IMONmax}(V)}{I{OUTmax}(A) × 246 × 10^{-6}}) 計(jì)算 (R{IMON}) 值，對(duì)于 (I{LIM}=15A) 和ADC工作范圍為0V至3.3V，計(jì)算得到 (R{IMON}=894Ω)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值887Ω，1%。
5. 設(shè)置輸出電壓上升時(shí)間 (T_{dVdt})：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電壓需要在20ms內(nèi)上升，對(duì)于12V電源軌，需要0.6V/ms的壓擺率。使用公式 (C{dVdt}(pF)=frac{4600}{SR(V / ms)}) 計(jì)算得到 (C{dVdt}=7666pF)，考慮到啟動(dòng)時(shí)dVdt電容承受的電壓較高，建議選擇比計(jì)算值高20%的電容，即9.2nF，選擇最接近的10%標(biāo)準(zhǔn)值10nF。該電容設(shè)置的壓擺率為0.46V/ms，輸出上升時(shí)間 (T_{dVdt}=26ms)。
6. 設(shè)置負(fù)載握手（LDSTRT）延遲：使用公式 (C{LDSTRT}=I{LDSTRT} × frac{t{LDSTRT}}{V{LDSTRT}}) 計(jì)算 (C{LDSTRT}) 值，對(duì)于60ms的握手延遲，計(jì)算得到 (C{LDSTRT}=0.1μF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值0.1μF，10%。
7. 設(shè)置瞬態(tài)過流消隱間隔 (t_{ITIMER})：使用公式 (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms)}{0.47}) 計(jì)算 (C{ITIMER}) 值，對(duì)于2ms的消隱間隔，計(jì)算得到 (C{ITIMER}=4.255nF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值4.7nF，10%。
8. 設(shè)置自動(dòng)重試延遲和重試次數(shù)：使用公式 (C{RETRY_DLY}(pF)=frac{t{RETRY_DLY}(mu S)}{46.83}-4pF) 計(jì)算 (C{RETRY_DLY}) 值，對(duì)于100ms的自動(dòng)重試延遲，計(jì)算得到 (C{RETRY_DLY}=2131.38pF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值2.2nF，10%。使用公式 (N{RETRY}=frac{4 × C{NRETRY}(pF)+4pF}{C{RETRY_DLY}(pF)+4pF}) 計(jì)算 (C{NRETRY}) 值，對(duì)于重試4次的要求，計(jì)算得到 (C_{NRETRY}<2204pF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值2.2nF，10%。

（二）光模塊電源軌路徑保護(hù)

光模塊在高帶寬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，對(duì)電源的穩(wěn)定性和保護(hù)要求較高。TPS25982可用于光模塊電源軌路徑保護(hù)，設(shè)計(jì)要求如下：

• 輸入電壓 (V_{IN}=3.3V)
• 過壓鎖定 (V_{OVP}=3.7V)
• 路徑最大電壓降 ± 5%
• 最大負(fù)載電流 (I_{OUT}=5.5A)
• 電流限制 (I_{LIM}=7A)
• 瞬態(tài)過流消隱間隔 (t_{ITIMER}=6ms)
• 負(fù)載電容 (C_{OUT}=10μF)
• 最大環(huán)境溫度 (T_{A}=85°C)
• 模塊存在檢測(cè) ModPrsL 功能
• 重試延遲 (t_{RETRY_DLY}=200μs)
• 重試次數(shù) (N_{RETRY}=4)

設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 設(shè)備選擇：選擇TPS259822O變體，設(shè)置過壓保護(hù)為3.7V。
2. 外部組件設(shè)置
   • (R_{ILIM}=210Ω)，用于設(shè)置7A的電流限制。
   • (C_{ITIMER}=15nF)，用于設(shè)置6ms的故障消隱時(shí)間。
   • (R{IMON}=1910Ω)，用于將IMON引腳最大電壓 (V{IMON}) 設(shè)置在ADC范圍3.3V內(nèi)。
   • (C_{dVdt}) 電容選擇3.3nF。
   • 將RETRY_DLY和NRETRY引腳留空，設(shè)置最小自動(dòng)重試延遲為200μs，重試次數(shù)為4。

五、電源供應(yīng)和布局建議

（一）電源供應(yīng)建議

TPS25982設(shè)計(jì)用于2.7V至24V的電源電壓范圍。如果輸入電源距離設(shè)備超過幾英寸，建議使用大于 (0.1μF) 的輸入陶瓷旁路電容。電源的額定電流應(yīng)高于設(shè)定的電流限制，以避免在過流和短路情況下出現(xiàn)電壓下降。

（二）瞬態(tài)保護(hù)

在短路和過載電流限制時(shí)，設(shè)備中斷電流流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸入電感產(chǎn)生正電壓尖峰，輸出電感產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰。為了避免這些瞬態(tài)電壓超過設(shè)備的絕對(duì)最大額定值，可以采取以下措施：

• 盡量減小