工業(yè)電流保護新選擇：TPS2661x系列芯片深度解析
工業(yè)電流保護新選擇：TPS2661x系列芯片深度解析
在工業(yè)和過程自動化系統(tǒng)中，電流輸入、電壓輸入/輸出以及傳感器電源的保護至關重要。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)路設計的保護器，具備精準、高效且全面的保護能力。其工作電壓范圍覆蓋 ±50V，絕對最大電壓達 ±55V，能適應各種復雜的工業(yè)環(huán)境。
1.1 特點亮點
- 強大的電流限制：集成固定的雙極性32mA電流限制，在啟動時可支持兩倍的電流限制，為設備啟動提供充足動力。
- 節(jié)省空間：相比典型的離散保護電路，能節(jié)省50%的空間，讓電路板設計更加緊湊。
- 低導通電阻：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：當由外部電源供電時，從環(huán)路汲取的電流 (I_{Q}<100nA)，極大降低了功耗。
- 多重保護功能：對IN和OUT引腳的誤接線情況提供保護，還能在信號線路浪涌（IEC61000 - 4 - 5，需外部TVS）和電氣快速瞬變（IEC61000 - 4 - 4，需外部TVS）時確保設備安全。
- 支持多種功能：部分型號支持無電源環(huán)路測試（如TPS26610），符合HART通信標準，具備使能控制和系統(tǒng)健康監(jiān)測功能（SGOOD引腳），還有熱關斷保護。
1.2 應用領域廣泛
- 工廠自動化與控制：可用于PLC的模擬輸入和輸出模塊，保障信號傳輸穩(wěn)定。
- 電機驅(qū)動控制：為電機提供穩(wěn)定的電流保護，確保電機正常運行。
- 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，保護電路免受異常電流影響。
- UART IO保護：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。
二、不同型號性能對比
| TPS2661x系列包含多個型號，如TPS26610、TPS26611、TPS26612、TPS26613和TPS26614，它們在功能和應用上各有側重。 | 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 | |
| TPS26611 | Yes | No | No | Latch - off | 多路復用電壓和電流輸入、模擬輸出保護 | |
| TPS26612 | Yes | No | Yes（過載時間最長可達5s） | Latch - off | 發(fā)射器和模擬輸出的電源保護 | |
| TPS26613 | No | Yes | No | Auto - retry | 電流輸入 | |
| TPS26614 | Yes | No | No | Auto - retry | 多路復用電壓和電流輸入、模擬輸出 |
工程師們在選擇型號時，需根據(jù)實際應用場景和需求來綜合考慮。例如，如果需要進行無電源環(huán)路測試，TPS26610和TPS26613會是不錯的選擇；若要對多路復用輸入進行保護，TPS26611和TPS26614更為合適。
三、關鍵特性解析
3.1 過載保護與快速跳閘
TPS2661x具備固定的32mA典型雙向電流限制。當電流試圖超過 (I_{OL}) 限制時，設備會調(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時間。同時，為應對快速瞬變事件（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，電流會迅速增加，由于電流限制放大器帶寬有限，無法快速響應，此時快速跳閘比較器能在短時間（t(FASTTRIP)）內(nèi)關閉內(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
對于TPS26610、TPS26611和TPS26612，通過將負載電阻連接到GND并使用單電源（+Vs, GND），可以有效阻斷反向電流（OUT到IN），當IN引腳電壓為負時，設備會自動切斷反向電流。
3.3 過壓、欠壓時的輸出和輸入切斷
| 各型號在過壓、欠壓以及誤接線保護上有所不同： | 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 (V{OUT}) 超過 (V{OUT_OVLO}) 閾值時，內(nèi)部的通路FET會關閉，切斷信號路徑；當 (V{OUT}) 低于 ([V{OUT_OVLO} - V_{OUT_OVLO_Hyst}]) 時，信號路徑會恢復。對于輸入和輸出欠壓，不同型號也有相應的保護機制。
3.4 外部電源供電
TPS2661x由外部 +Vs/–Vs 電源供電，確保不會從攜帶電流信息的IN/OUT引腳汲取電流。對于需要正負電壓的系統(tǒng)，可使用雙電源（+Vs和–Vs）；對于僅需正電壓的系統(tǒng)，使用單電源（+Vs和GND）即可。不同型號在電源電壓范圍上有一定差異，如TPS26610、TPS26611、TPS26613和TPS26614在單電源供電時可從 +3V 到 +30V，TPS26612則從 +4V 到 +30V。
3.5 無 ±Vs 電源的環(huán)路測試（僅TPS26610、TPS26613）
這兩款型號在外部 +Vs/–Vs 電源不存在時，仍允許雙極性電流受限傳導。設備會切換到環(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)路通入測試電流來檢查整個電流環(huán)路系統(tǒng)的布線情況，也有助于設計安全關鍵的冗余系統(tǒng)。在環(huán)路測試時，設備有一定的電壓降 (V{(IN - OUT)no_Vs})，電流限制為 (I{OL_noVs})，并且當功率耗散超過500mW（典型值）時，會進行熱保護，短時間關閉內(nèi)部FET以限制功率。
3.6 使能控制（僅TPS26611、TPS26612、TPS26614）
這三款型號帶有EN引腳，可通過GPIO引腳進行外部控制。EN引腳內(nèi)部有上拉電阻，可懸空使設備啟用，也可通過外部電壓使其高于 (V{(ENR)}) 來啟用，當EN引腳電壓低于 (V{(ENF)}) 時，內(nèi)部FET會關閉。這一功能為系統(tǒng)設計師提供了更多的靈活性，可用于設計通用的電壓和電流模擬輸入輸出模塊。
3.7 信號良好指示器（SGOOD）
SGOOD引腳用于指示通過通路FET的電流信號狀態(tài)。當設備正常工作時，SGOOD引腳輸出低電平；當設備出現(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）、設備因熱限制或電流限制而關閉）時，SGOOD引腳會變?yōu)楦唠娖?。該引腳還能驅(qū)動外部LED，直觀顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
3.8 設備功能模式
通過MODE引腳可配置設備在不同電流下的行為：
- MODE = GND：當 (I{OUT}>I{OL}) 時，設備將電流限制在 (I_{OL}) 值。
- MODE = OPEN：對于 (I{OL}
- MODE = 180 kΩ：對于 (I{OL}
四、應用案例分析
4.1 模擬輸入保護（TPS26610）
在模擬輸入模塊的電流輸入保護中，TPS26610可發(fā)揮重要作用。其雙極性電流限制為 ±32mA，能保護精密負載電阻和ADC前端免受異常電壓和電流的影響。同時，IN引腳的高電壓額定值使其能有效抵御浪涌和EFT事件。在設計時，需合理選擇 ±Vs 電源、負載電阻 (R_{Burden}) 和MODE配置。例如，為使負載電阻功耗最小，可選擇MODE = GND。
4.2 多路復用電流和電壓輸入保護（TPS26611）
TPS26611適用于模擬輸入模塊的多路復用輸入保護。通過連接IN和OUT引腳到ADC的不同通道，結合EN引腳可實現(xiàn)電流和電壓測量的切換。在設計時，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來設置電壓輸入的共模電壓。
4.3 兩線發(fā)射器電源保護（TPS26612）
TPS26612可用于保護為兩線現(xiàn)場發(fā)射器供電的電源。在電源啟動后的第一次過載故障中，其過載過期時間（ (t{OL_expiry}) ）在 (t{AR_dis}) （5秒）內(nèi)禁用，這使得它能夠啟動需要長時間高啟動電流的兩線發(fā)射器。啟動時的電流限制閾值可通過MODE引腳選擇。
4.4 其他應用
TPS26611和TPS26612還可用于保護3/4線發(fā)射器和模擬輸出模塊、UART IO線路等。通過監(jiān)測OUT引腳電壓，當電壓超出 +Vs/–Vs 電源范圍時，F(xiàn)ET會切斷電流傳導路徑，保護整個系統(tǒng)。TPS26613和TPS26614在輸入電壓小于 –Vs 時提供自動重試功能，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，+Vs 和 –Vs 之間的最小差值為3V。若要進行單電源反向電流阻斷，可參考相關章節(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}) 電阻靠近設備的MODE和GND引腳放置。
- 為保護輸入免受IEC61000 - 4 - 5浪涌瞬變影響，將TVS靠近設備的IN引腳放置。
- 如果 ±V (pm V_{s}) 電源離設備較遠，在設備附近放置至少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信號線遠離環(huán)路電流，避免數(shù)字噪聲干擾。
六、總結與思考
綜上所述，TPS2661x系列芯片憑借其豐富的功能、強大的保護能力和廣泛的應用場景，為工業(yè)電流環(huán)路保護提供了一個優(yōu)秀的解決方案。然而，在實際應用中，工程師們還需要根據(jù)具體的電路要求和系統(tǒng)環(huán)境，仔細選擇合適的型號和配置參數(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，合理設計電路板布局以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢？這些問題都值得我們進一步深入研究和探索。希望本文能為工程師們在使用TPS2661x系列芯片時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功能的50V通用4mA-20mA、±20mA電流環(huán)路保護器數(shù)據(jù)表
使用TPS2661x保護模擬輸入和輸出模塊中的HART I/O
TPS2661 50V 通用 4-20mA、±20mA 電流回路保護器數(shù)據(jù)手冊
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