TPS25984x：高電流eFuse的卓越解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高電流電路的保護(hù)和管理一直是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。德州儀器（TI）的TPS25984x系列產(chǎn)品為這一挑戰(zhàn)提供了出色的解決方案。該系列產(chǎn)品集成了高電流電路保護(hù)和電源管理功能，采用小封裝，能夠有效應(yīng)對各種復(fù)雜的應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍與高耐壓能力

TPS25984x的輸入工作電壓范圍為4.5V至16V，絕對最大值可達(dá)20V，還能承受23.5V的10μs脈沖電壓，輸出端可承受高達(dá) - 1V的負(fù)電壓。這種寬電壓范圍和高耐壓能力使得該產(chǎn)品能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。

2. 超低導(dǎo)通電阻與高電流承載能力

其集成的FET具有超低的導(dǎo)通電阻，典型值為0.8mΩ，額定RMS電流為55A，峰值電流可達(dá)70A。這意味著在高電流應(yīng)用中，能夠有效降低功率損耗，提高系統(tǒng)效率。

3. 強(qiáng)大的保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：過流閾值（IOCP）可在10A至55A之間調(diào)節(jié)，精度達(dá)±5%。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，可通過可調(diào)的瞬態(tài)過流定時器（ITIMER）支持高達(dá)2×IOCP的峰值電流。啟動時的有源電流限制（ILIM）也可調(diào)節(jié)。
• 短路保護(hù)：對輸出短路事件具有快速跳閘響應(yīng)（<200ns），閾值可調(diào)，且不受電源線瞬變影響，避免誤跳閘。
• 過壓保護(hù)：固定16.7V閾值的快速過壓保護(hù)，能及時切斷過高的輸入電壓，保護(hù)負(fù)載設(shè)備。
• 浪涌電流保護(hù)：可調(diào)節(jié)輸出壓擺率控制（dVdt），有效限制啟動時的浪涌電流，保護(hù)系統(tǒng)免受沖擊。
• 過熱保護(hù)：具備過熱保護(hù)（OTP）功能，確保FET在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)運(yùn)行，F(xiàn)ET SOA為10W√s。

4. 精確的電流和溫度監(jiān)測

• 模擬負(fù)載電流監(jiān)測：精度為±1.4%，帶寬>500kHz，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測負(fù)載電流，為系統(tǒng)的功率管理提供重要依據(jù)。
• 溫度監(jiān)測：集成了FET健康監(jiān)測和報告功能，通過模擬管芯溫度監(jiān)測輸出（TEMP），可實(shí)時了解器件的溫度狀態(tài)。

5. 靈活的并行連接

支持多個eFuse并聯(lián)連接，以提供更高的電流支持。在啟動和穩(wěn)態(tài)期間，設(shè)備能夠主動同步工作狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)負(fù)載共享，避免部分設(shè)備過載，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

6. 豐富的指示和控制引腳

• 故障指示引腳（FLT）：用于指示設(shè)備是否發(fā)生故障，方便系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和處理。
• 電源良好指示引腳（PG）：表明設(shè)備處于穩(wěn)態(tài)且能夠提供最大功率，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供指示。
• 使能輸入（EN/UVLO）：高電平有效，可調(diào)節(jié)欠壓鎖定（UVLO）閾值，方便控制設(shè)備的啟動和關(guān)閉。

7. 小封裝與環(huán)保設(shè)計(jì)

采用QFN 5mm × 5mm的小封裝，節(jié)省電路板空間。同時，產(chǎn)品100%無鉛，符合環(huán)保要求。

二、廣泛的應(yīng)用場景

TPS25984x適用于多種需要高電流保護(hù)和電源管理的應(yīng)用場景，包括但不限于：

• 輸入熱插拔和熱插拔：在服務(wù)器和高性能計(jì)算領(lǐng)域，設(shè)備的熱插拔功能至關(guān)重要。TPS25984x能夠有效保護(hù)電路，確保熱插拔過程的安全和穩(wěn)定。
• 服務(wù)器和高性能計(jì)算：為服務(wù)器的電源模塊提供可靠的過流、短路和過壓保護(hù)，保障服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 網(wǎng)絡(luò)接口卡：在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，對電源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。該產(chǎn)品能夠滿足網(wǎng)絡(luò)接口卡的電源保護(hù)需求，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能。
• 圖形和硬件加速卡：圖形和硬件加速卡通常需要高電流供電，TPS25984x的高電流承載能力和保護(hù)功能能夠確保這些卡的正常工作。
• 數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和路由器：數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)和路由器需要高效、可靠的電源管理，該產(chǎn)品能夠提供必要的保護(hù)和管理功能，提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率。
• 風(fēng)扇托盤：為風(fēng)扇托盤的電源提供保護(hù)，確保風(fēng)扇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，維持設(shè)備的散熱需求。

三、產(chǎn)品詳細(xì)描述

1. 工作原理

TPS25984x通過監(jiān)測VDD和IN總線，當(dāng)電壓超過各自的欠壓保護(hù)（UVP）閾值后，等待插入延遲定時器時間，使電源穩(wěn)定后再啟動。通過采樣EN/UVLO和SWEN引腳，高電平使內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通，允許電流從IN流向OUT；低電平則關(guān)閉MOSFET。啟動成功后，持續(xù)監(jiān)測負(fù)載電流和輸入電壓，控制內(nèi)部FET，確保不超過編程的過流閾值，切斷輸入過壓尖峰。

2. 功能模塊

• 欠壓保護(hù)：在VDD和VIN上實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定，可通過EN/UVLO引腳的UVLO比較器外部調(diào)節(jié)保護(hù)閾值。
• 插入延遲：啟動時設(shè)置插入延遲，確保電源穩(wěn)定后再開啟負(fù)載電源，防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外行為。
• 過壓保護(hù)：IN引腳的OVP比較器使用固定的過壓保護(hù)閾值，輸入電壓超過閾值時，快速關(guān)閉功率FET；電壓下降后，以dVdt控制方式開啟FET。
• 浪涌、過流和短路保護(hù)：
  • 浪涌電流控制：通過調(diào)節(jié)dVdt引腳的電容，控制輸出上升壓擺率，降低浪涌電流。
  • 穩(wěn)態(tài)過流保護(hù)：通過監(jiān)測IMON引腳的電壓與IREF引腳的參考電壓比較，檢測過流情況。超過閾值且未超過短路閾值時，通過ITIMER引腳電容控制是否觸發(fā)斷路器動作。
  • 啟動時的有源電流限制：監(jiān)測ILIM引腳電壓與參考電壓比較，超過閾值時調(diào)節(jié)負(fù)載電流，若溫度過高則關(guān)閉FET。
  • 短路保護(hù)：采用可調(diào)節(jié)的快速跳閘閾值，檢測到短路時快速觸發(fā)保護(hù)序列，防止電流過大。
• 模擬負(fù)載電流監(jiān)測：IMON引腳提供與負(fù)載電流成比例的模擬電流，可轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行監(jiān)測，用于高級動態(tài)平臺電源管理。
• 模式選擇：MODE引腳可將設(shè)備配置為初級或次級設(shè)備，改變部分引腳功能，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
• 并行設(shè)備同步：SWEN引腳作為控制和握手信號，使多個并聯(lián)設(shè)備同步FET的開關(guān)狀態(tài)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 堆疊多個eFuse：多個TPS25984x設(shè)備并聯(lián)可提供更高的系統(tǒng)電流，通過特殊的電流共享機(jī)制，確保電流均勻分布，提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。
• 模擬結(jié)溫監(jiān)測：TEMP引腳提供與結(jié)溫成比例的模擬電壓，可用于監(jiān)測芯片溫度，在多設(shè)備并聯(lián)時，可報告最熱設(shè)備的溫度。
• 過熱保護(hù)：內(nèi)部熱關(guān)斷機(jī)制，當(dāng)FET過熱時，TPS259840鎖存關(guān)閉，直到電源循環(huán)或重新啟用；TPS259841冷卻后自動重試開啟。
• 故障響應(yīng)和指示：FLT引腳指示設(shè)備故障，不同故障有不同的響應(yīng)方式，可通過電源循環(huán)或拉低EN/UVLO引腳清除內(nèi)部鎖定的故障。
• 電源良好指示：PG引腳為高電平時，表示設(shè)備處于穩(wěn)態(tài)且能提供最大功率，方便系統(tǒng)判斷設(shè)備狀態(tài)。
• 輸出放電：當(dāng)EN/UVLO引腳電壓在特定范圍內(nèi)保持一定時間時，激活輸出放電功能，快速清除輸出電容上的殘留電荷。
• FET健康監(jiān)測：可檢測FET的D - S短路、G - D短路和G - S短路等故障，檢測到故障后關(guān)閉內(nèi)部FET并發(fā)出故障指示。
• 單點(diǎn)故障緩解：針對IMON、ILIM、IREF和ITIMER引腳的單點(diǎn)故障，有相應(yīng)的備份保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備在故障情況下仍能提供一定的保護(hù)。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 單設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行

將MODE引腳懸空，可配置為獨(dú)立運(yùn)行模式。IREF引腳可由外部參考電壓源驅(qū)動；在主機(jī)MCU控制系統(tǒng)中，EN/UVLO可連接到GPIO引腳，IMON引腳電壓可通過ADC監(jiān)測，主機(jī)MCU可通過DAC驅(qū)動IREF動態(tài)改變電流限制閾值；也可將ILIM和IMON引腳接地，IREF引腳懸空，作為簡單的高電流負(fù)載開關(guān)使用。

2. 多設(shè)備并聯(lián)連接

多個TPS25984x設(shè)備并聯(lián)可提供更高的電流能力。一個設(shè)備作為主設(shè)備，其他作為從設(shè)備。主設(shè)備和從設(shè)備的引腳連接方式有所不同，所有設(shè)備的IN、OUT、EN/UVLO、DVDT、SWEN、PG、IMON和IREF引腳需連接在一起。在啟動、浪涌和穩(wěn)態(tài)等不同階段，設(shè)備能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)電流共享和保護(hù)功能。

3. 與TPS25990x并聯(lián)連接

TPS25990x作為主設(shè)備，與多個TPS25984x從設(shè)備并聯(lián)，通過PMBus?接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字遙測、控制和配置功能。主設(shè)備和從設(shè)備的引腳連接和功能分配遵循特定規(guī)則，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 外部微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字遙測

將TPS25984x與外部微控制器結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字遙測、控制和配置功能。IMON連接到微控制器的ADC輸入，用于監(jiān)測負(fù)載電流；EN/UVLO連接到GPIO，實(shí)現(xiàn)數(shù)字開關(guān)控制；PG和FLT引腳連接到GPIO，監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)；VIN和VOUT連接到ADC輸入，監(jiān)測總線電壓；TEMP連接到ADC輸入，監(jiān)測芯片溫度；IREF可連接到DAC輸出，動態(tài)改變參考電壓。

五、典型應(yīng)用案例：數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的12V、3.3kW電源路徑保護(hù)

1. 應(yīng)用需求

設(shè)計(jì)一個12V系統(tǒng)，電壓容差±10%，最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流275A，允許16ms內(nèi)的300A瞬態(tài)過載電流，持續(xù)過載則觸發(fā)斷路器并鎖存關(guān)閉。需為50mF的大容量電容充電，啟動時支持約10%的穩(wěn)態(tài)負(fù)載。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 確定并聯(lián)eFuse數(shù)量：根據(jù)單個TPS25984x在70°C環(huán)境下的最大穩(wěn)態(tài)DC電流為55A，計(jì)算得出需要5個設(shè)備并聯(lián)。
• 配置主從設(shè)備：使用MODE引腳將一個設(shè)備配置為主設(shè)備，其他為從設(shè)備。
• 選擇DVDT電容：根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況和啟動時間要求，計(jì)算平均浪涌功率損耗，確保系統(tǒng)滿足啟動條件。通過公式計(jì)算所需的DVDT電容值，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電容。
• 選擇IREF電阻：根據(jù)系統(tǒng)的電流監(jiān)測和控制需求，設(shè)置IREF參考電壓，計(jì)算并選擇合適的IREF電阻，同時添加電容提高抗噪能力。
• 選擇IMON電阻：根據(jù)系統(tǒng)的過流保護(hù)閾值和IMON電流監(jiān)測增益，計(jì)算并選擇合適的IMON電阻，添加電容降低噪聲。
• 選擇ILIM電阻：根據(jù)系統(tǒng)的電流共享和啟動電流限制需求，計(jì)算并選擇合適的ILIM電阻，確保啟動時的電流限制和穩(wěn)態(tài)時的電流共享。
• 選擇ITIMER電容：根據(jù)瞬態(tài)過流消隱時間要求，計(jì)算并選擇合適的ITIMER電容，主設(shè)備使用電容，從設(shè)備ITIMER引腳懸空。
• 選擇電阻設(shè)置欠壓鎖定閾值：使用外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)欠壓鎖定閾值，選擇合適的電阻值，添加電容降低噪聲。
• 選擇VIN和VDD之間的R - C濾波器：使用R - C濾波器為VDD提供穩(wěn)定的電源，過濾噪聲，在并聯(lián)鏈中每個設(shè)備都需使用。
• 選擇SWEN、PG和FLT引腳的上拉電阻和電源：確保這些引腳的上拉電壓在合適范圍內(nèi)，SWEN引腳的上拉電源需在設(shè)備啟用前可用。
• 選擇輸入TVS二極管和輸出肖特基二極管：為防止短路和過載時的電壓尖峰損壞設(shè)備，選擇合適的TVS二極管和肖特基二極管，滿足電流和電壓要求。
• 選擇CIN和Cout電容：添加陶瓷旁路電容穩(wěn)定輸入和輸出電壓，CIN值應(yīng)較小，Cout值可較大。

3. 應(yīng)用曲線

通過實(shí)際測試，展示了輸入熱插拔、啟動、短路、瞬態(tài)過載和斷路器響應(yīng)等不同情況下的波形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

六、最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐與建議

1. SWEN引腳電源

SWEN引腳需上拉到在設(shè)備啟用前已供電的電源軌，可選擇系統(tǒng)中的現(xiàn)有備用軌、LDO、齊納調(diào)節(jié)器或主eFuse的ITIMER引腳作為上拉電源。

2. PG引腳處理

PG引腳為開漏輸出，需上拉到外部電源，穩(wěn)態(tài)時不要使其浮空或強(qiáng)制拉低，以免影響設(shè)備運(yùn)行。

3. 電源供應(yīng)

TPS25984x的IN和VDD引腳供電電壓范圍為4.5V至16V，建議在每個并聯(lián)設(shè)備的IN引腳使用至少0.1μF的電容，在VDD引腳使用R - C濾波器，過濾噪聲并在故障時維持控制器電源。

4. 瞬態(tài)保護(hù)

為防止短路或斷路器事件時的電壓尖峰損壞設(shè)備，可采取減少引線長度和電感、使用大PCB GND平面、添加TVS二極管和肖特基二極管、在IN和OUT引腳添加電容等措施。

5. 輸出短路測量

輸出短路測試結(jié)果受多種因素影響，難以獲得可重復(fù)和相似的結(jié)果，實(shí)際測試時需注意測試配置和方法。

6. 布局設(shè)計(jì)

• 電容放置：在IN和GND之間使用至少0.1μF的陶瓷去耦電容，在OUT和GND之間使用至少2.2μF的陶瓷去耦電容，放置位置應(yīng)盡量靠近設(shè)備引腳，減少環(huán)路面積。
• 功率路徑連接：高電流功率路徑連接應(yīng)盡量短，尺寸應(yīng)能承載至少兩倍的滿載電流。
• GND連接：GND引腳應(yīng)連接到PCB的接地平面。
• 散熱設(shè)計(jì)：IN和OUT引腳用于散熱，應(yīng)連接盡可能多的銅面積，并使用熱過孔。
• 支持組件布局：RILIM、RIMON、RIREF、CdVdT、CITIMER、CIN、COUT、CVDD和EN/UVLO引腳的電阻等支持組件應(yīng)靠近其連接引腳，連接到GND引腳的走線應(yīng)盡量短，減少寄生效應(yīng)。
• 信號隔離：IMON、ILIM和IREF引腳的PCB走線應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲信號，SWEN引腳應(yīng)盡量減少寄生負(fù)載，保護(hù)設(shè)備應(yīng)靠近被保護(hù)設(shè)備，走線應(yīng)短，減少電感。

七、總結(jié)

TPS25984x系列產(chǎn)品以其豐富的功能、強(qiáng)大的保護(hù)能力和靈活的應(yīng)用方式，為高電流電路的保護(hù)和管理提供了全面的解決方案。無論是在服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心還是其他高性能應(yīng)用中，都能夠發(fā)揮重要作用，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和效率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和配置相關(guān)組件，遵循最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的優(yōu)勢。你在使用TPS25984x的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。