深入剖析 TPS2662x 60-V, 800-mA 工業(yè) eFuse：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)指南

引言

在工業(yè)電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源保護(hù)至關(guān)重要。一款性能卓越的電子保險(xiǎn)絲（eFuse）能夠?yàn)殡娐诽峁┛煽康倪^(guò)流、過(guò)壓和反極性保護(hù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討德州儀器（TI）推出的 TPS2662x 系列工業(yè) eFuse，了解其特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tps2662.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPS2662x 是一系列緊湊、功能豐富的高壓 eFuse，具有全面的保護(hù)功能。其寬電源輸入范圍為 4.5 V 至 60 V，可適應(yīng)多種常見的直流母線電壓。該器件能夠承受高達(dá) ±60 V 的正負(fù)極性電源電壓，為負(fù)載提供可靠保護(hù)。此外，TPS2662x 還集成了背靠背 MOSFET 以及輸入和輸出反極性保護(hù)功能，適用于對(duì)輸出電壓保持有要求的系統(tǒng)。

產(chǎn)品特性

1. 寬電壓范圍：工作電壓范圍為 4.5 V 至 60 V，絕對(duì)最大電壓可達(dá) 62 V，集成反向輸入極性保護(hù)至 -60 V，部分型號(hào)（TPS26624 和 TPS26625）還集成了反向輸出極性保護(hù)至 - (60 - VIN)。
2. 低導(dǎo)通電阻：集成背靠背 MOSFET，總導(dǎo)通電阻（RON）為 478 mΩ，可有效降低功耗。
3. 可調(diào)電流限制：電流限制范圍為 25 mA 至 880 mA，精度為 ±5%（在 880 mA 時(shí)），可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。
4. 浪涌保護(hù)：在浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）情況下，只需最少的外部組件即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載保護(hù)。
5. 快速響應(yīng)：具有快速反向電流阻斷響應(yīng)（0.3 μs）和快速短路保護(hù)（典型值 220 ns），能夠迅速隔離故障負(fù)載。
6. 可調(diào)保護(hù)功能：可調(diào)節(jié)欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)壓保護(hù)（OVP）閾值和輸出壓擺率控制，以限制浪涌電流。
7. 低靜態(tài)電流：工作時(shí)靜態(tài)電流為 340 μA，關(guān)斷時(shí)為 12 μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
8. 小封裝尺寸：采用 10L（3 mm × 3 mm）VSON 封裝，節(jié)省 PCB 空間。
9. 安全認(rèn)證：獲得 UL 2367 認(rèn)證和 IEC 62368 - 1 認(rèn)證，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

TPS2662x 系列 eFuse 適用于多種工業(yè)應(yīng)用，為系統(tǒng)提供可靠的電源保護(hù)。以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

1. PLC I/O 模塊：保護(hù)模塊免受電源故障和反極性連接的影響，確保模塊穩(wěn)定運(yùn)行。
2. AC 和伺服驅(qū)動(dòng)器：防止過(guò)流和過(guò)壓損壞驅(qū)動(dòng)器，提高系統(tǒng)的可靠性。
3. 傳感器和控制設(shè)備：為傳感器和控制電路提供保護(hù)，確保測(cè)量和控制的準(zhǔn)確性。
4. 溫控器：在智能溫控器中，可實(shí)現(xiàn)電源管理和保護(hù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
5. PoE 高端保護(hù)：保護(hù)以太網(wǎng)供電設(shè)備免受電源故障的影響。

三、產(chǎn)品詳細(xì)分析

3.1 器件比較

3.2 引腳配置與功能

3.3 電氣特性

TPS2662x 的電氣特性涵蓋了多個(gè)方面，包括電源電壓、欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)、電流限制等。以下是一些關(guān)鍵電氣特性的介紹：

1. 電源電壓：工作輸入電壓范圍為 4.5 V 至 60 V，內(nèi)部上電復(fù)位（POR）閾值上升為 3.54 V 至 4.2 V，POR 遲滯為 110 mV。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：UVLO 閾值電壓上升為 1.18 V 至 1.23 V，下降為 1.09 V 至 1.135 V，輸入泄漏電流在 0 V 至 3.5 V 時(shí)為 -100 nA 至 100 nA，在 5 V 時(shí)為 18.8 μA 至 38 μA。
3. 過(guò)壓保護(hù)（OVP）：OVP 閾值電壓上升為 1.18 V 至 1.23 V，下降為 1.09 V 至 1.135 V，輸入泄漏電流在 0 V 至 5 V 時(shí)為 -100 nA 至 100 nA。
4. 電流限制：通過(guò)連接到 ILIM 引腳的電阻可設(shè)置過(guò)載和短路電流限制，不同電阻值對(duì)應(yīng)不同的電流限制值。例如，當(dāng) R(ILIM) = 7.5 kΩ 時(shí)，過(guò)載電流限制為 0.83 A 至 0.91 A。

3.4 功能特性

3.4.1 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng) UVLO 引腳電壓在輸入電源故障或欠壓故障時(shí)低于 V(UVLOF)，內(nèi)部 FET 迅速關(guān)斷，同時(shí) FLT 引腳置位。UVLO 比較器具有 100 mV 的遲滯。若不需要欠壓鎖定功能，需將 UVLO 引腳通過(guò) 1 MΩ 電阻連接到 IN 引腳，以限制引腳電流小于 60 μA。

3.4.2 過(guò)壓保護(hù)（OVP）

TPS26620、TPS26621、TPS26624 和 TPS26625 具有過(guò)壓切斷功能，當(dāng) OVP 引腳電壓超過(guò) V(OVPR) 時(shí)，內(nèi)部 FET 關(guān)斷，保護(hù)下游負(fù)載。TPS26622 和 TPS26623 具有內(nèi)部固定的 38 V 過(guò)壓鉗位功能，當(dāng)輸入電壓超過(guò) 38 V 時(shí)，輸出電壓被鉗位在 Vovc。

3.4.3 熱插拔和浪涌電流控制

通過(guò)連接到 dVdT 引腳的外部電容可控制輸出電壓的壓擺率，從而限制熱插拔時(shí)的浪涌電流。當(dāng) dVdT 引腳懸空時(shí)，器件設(shè)置內(nèi)部輸出電壓壓擺率為 24 V / 660 μs；連接電容可使壓擺率變慢。

3.4.4 反極性保護(hù)

• 輸入側(cè)反極性保護(hù)：TPS2662x 集成了輸入側(cè)反極性保護(hù)功能，在輸入反極性事件發(fā)生時(shí)，內(nèi)部 FET 關(guān)斷，保護(hù)下游負(fù)載免受負(fù)電源電壓的影響。
• 輸出側(cè)反極性保護(hù)：TPS26624 和 TPS26625 還集成了輸出側(cè)反極性保護(hù)功能，在輸出反極性事件發(fā)生時(shí)，保護(hù)上游電路免受負(fù)電壓的影響。

  3.4.5 過(guò)載和短路保護(hù)

• 過(guò)載保護(hù)：通過(guò)連接到 ILIM 引腳的電阻可設(shè)置過(guò)載電流限制 I(OL)。在過(guò)載情況下，器件將電流調(diào)節(jié)在 I(OL) 并持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間 tCL(dly)。超過(guò)該時(shí)間或達(dá)到熱關(guān)斷閾值后，內(nèi)部 FET 關(guān)斷。部分型號(hào)（TPS26620、TPS26622 和 TPS26624）鎖定，需通過(guò) SHDN 或 UVLO 復(fù)位；部分型號(hào)（TPS26621、TPS26623 和 TPS26625）在 512 ms 后自動(dòng)重試。
• 短路保護(hù)：在輸出短路事件發(fā)生時(shí)，快速跳閘比較器（Fast - Trip Comparator）可在 220 ns（典型值）內(nèi)關(guān)斷內(nèi)部 FET，隨后器件緩慢開啟，由電流限制環(huán)路將輸出電流調(diào)節(jié)到 I(OL)。

  3.4.6 反向電流保護(hù)

  器件監(jiān)測(cè) V(IN) 和 V(OUT)，當(dāng) V(IN) - V(OUT) 低于 -2.6 V 時(shí)，反向比較器在 63 μs（典型值）內(nèi)開啟，控制內(nèi)部 FET 關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)反向電流保護(hù)。

  3.4.7 熱關(guān)斷

  當(dāng)結(jié)溫超過(guò) T(TSD) 時(shí)，器件的熱關(guān)斷電路將保護(hù)內(nèi)部 FET。熱關(guān)斷事件發(fā)生后，根據(jù)故障響應(yīng)模式，器件要么鎖定，要么在 T(J) < (T(TSD) - 13.5°C) 后 512 ms 開始自動(dòng)重試。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 典型應(yīng)用電路

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

4.2.1 電流限制閾值編程

通過(guò)連接到 ILIM 引腳的電阻 R(ILIM) 設(shè)置過(guò)載電流限制。根據(jù)公式 (R{ILIM}=frac{6.636}{I{LIM}})，當(dāng) (I{LIM}=500 mA) 時(shí)，(R{ILIM}=13.27 kΩ)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn) 1% 電阻值 (R_{ILIM}=13.3 kΩ)。

4.2.2 欠壓鎖定和過(guò)壓設(shè)定點(diǎn)

使用連接在 IN、UVLO、OVP 和 RTN 引腳之間的外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò) (R{1})、(R{2}) 和 (R{3}) 調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）和過(guò)壓跳閘點(diǎn)。根據(jù)公式 (V(OVPR)=frac{R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V(OV)) 和 (V(UVLOR)=frac{R{2}+R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V(UV))，結(jié)合器件電氣規(guī)格和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的電阻值。最終選擇 (R{1}=715 kΩ)、(R{2}=20 kΩ) 和 (R_{3}=30.1 kΩ)。

4.2.3 輸出電壓上升時(shí)間設(shè)置

為確保器件在動(dòng)態(tài)（啟動(dòng)）和穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)溫低于絕對(duì)最大額定值，需要確定合適的啟動(dòng)時(shí)間和浪涌電流限制?？紤]兩種情況：

• 無(wú)負(fù)載啟動(dòng)：僅輸出電容 (C_{(OUT)}) 在啟動(dòng)時(shí)充電，根據(jù)公式 (I = C × frac{dV}{dT}) 和 (PD(INRUSH)=0.5 × V(IN) × I(NRUSH)) 計(jì)算浪涌電流和平均功耗。
• 有負(fù)載啟動(dòng)：輸出電容 (C{(OUT)}) 和負(fù)載在啟動(dòng)時(shí)都消耗電流，根據(jù)公式 (PD(LOAD)=frac{1}{6} × frac{V(IN)^{2}}{RL(SU)}) 和 (PD(STARTUP) = PD(INRUSH) + PD(LOAD)) 計(jì)算總功耗。 選擇浪涌電流 (I{(INRUSH)} = 0.1 A)，計(jì)算得到 (t{dVdT}=5.28 ms)，根據(jù)公式 (t{dVdT}=20.5 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)}) 計(jì)算得到 (C_{(dVdT)} = 10.7 nF)，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值 10.0 nF 且耐壓 16 V 的電容。

  4.2.4 支持組件選擇

• (R_{FLT}) 電阻：作為開漏故障輸出的上拉電阻，推薦阻值范圍為 10 kΩ 至 100 kΩ。
• (C_{(IN)}) 電容：作為局部旁路電容，抑制輸入噪聲，推薦電容值范圍為 0.1 μF 至 1 μF。

五、電源供應(yīng)建議與布局注意事項(xiàng)

5.1 電源供應(yīng)建議

TPS2662x eFuse 的電源電壓范圍為 4.5 V 至 60 V。如果輸入電源與器件距離較遠(yuǎn)，建議使用大于 0.1 μF 的輸入陶瓷旁路電容。電源額定電流應(yīng)高于設(shè)定的電流限制，以避免在過(guò)流和短路情況下出現(xiàn)電壓下降。

5.2 瞬態(tài)保護(hù)

在短路和過(guò)載電流限制情況下，器件中斷電流流動(dòng)時(shí)，輸入電感會(huì)在輸入產(chǎn)生正電壓尖峰，輸出電感會(huì)在輸出產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰。為解決這些瞬態(tài)問(wèn)題，可采取以下措施：

• 盡量減小器件輸入和輸出的引線長(zhǎng)度和電感。
• 使用大面積 PCB 接地平面。
• 在 TPS26620、TPS26621、TPS26622、TPS26623 設(shè)計(jì)中，使用肖特基二極管跨接在輸出和地之間吸收負(fù)尖峰；在 TPS26624 和 TPS26625 設(shè)計(jì)中，使用 TVS 鉗位。
• 使用低阻值陶瓷電容 (C_{(IN)})（約 0.1 μF）吸收能量，抑制瞬態(tài)。

  5.3 布局指南

• 在 IN 端子和 GND 之間使用 0.1 μF 或更高值的陶瓷去耦電容，且放置位置應(yīng)盡可能靠近器件的 IN 和 GND 端子，以減小旁路電容連接、IN 端子和 IC 的 GND 端子形成的環(huán)路面積。
• 高電流承載功率路徑連接應(yīng)盡可能短，且尺寸應(yīng)能承載至少兩倍的滿負(fù)載電流。
• RTN 作為器件的參考地，應(yīng)為銅平面或島。
• 將 TPS2662x 系列的支持組件（(R{(ILIM)})、(C{(dVdT)})、UVLO 和 OVP 電阻）放置在靠近其連接引腳的位置，并將組件的另一端以最短的走線長(zhǎng)度連接到 RTN。
• (R_{ILIM}) 組件到器件的走線應(yīng)盡可能短，以減少對(duì)電流限制和電流監(jiān)測(cè)精度的寄生效應(yīng)，且這些走線不應(yīng)與板上的開關(guān)信號(hào)耦合。
• 保護(hù)器件（如 TVS、緩沖器、電容或二極管）應(yīng)物理上靠近它們要保護(hù)的器件，并使用短走線路由以減少電感。
• 對(duì)于熱考慮，PowerPAD 封裝在正確安裝時(shí)可提供顯著的散熱能力。為使器件在額定功率下運(yùn)行，PowerPAD 必須直接焊接到器件正下方的電路板 RTN 平面。在不需要輸入反極性保護(hù)的設(shè)計(jì)中，可將 RTN、GND 和 PowerPAD 連接在一起，PowerPAD 可連接到 PCB 接地平面。

六、總結(jié)

TPS2662x 系列工業(yè) eFuse 憑借其豐富的功能和出色的性能，為