TPS7H2211-SP与TPS7H2211-SEP：辐射加固eFuse的深度剖析

在电子设计领域，尤其是涉及太空等辐射环境的应用中，一款可靠的辐射加固eFuse至关重要。今天我们就来深入探讨德州仪器（TI）的TPS7H2211-SP和TPS7H2211-SEP这两款辐射加固eFuse，看看它们有哪些独特之处。

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1. 关键特性

1.1 辐射耐受性

这两款eFuse具有出色的辐射耐受性。总电离剂量（TID）特性可达100krad(Si)，且具备100krad(Si)的辐射硬度保证。同时，对单粒子效应（SEE）进行了全面表征，在单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅极破裂（SEGR）方面，对线性能量转移（LET） = 75 MeV - cm² / mg具有免疫能力；单粒子功能中断（SEFI）和单粒子瞬态（SET）特性也达到了LET = 75 MeV - cm² / mg。这种强大的辐射耐受性使得它们在太空等辐射环境中能够稳定工作。

1.2 电气性能

• 输入电压范围：输入电压范围为4.5V至14V，能够适应多种电源环境。
• 低导通电阻：在25°C和VIN = 12V时，最大导通电阻（RON）仅为60mΩ，有助于降低功耗。
• 高电流能力：最大连续开关电流可达3.5A，能够满足大多数负载的需求。
• 低控制输入阈值：支持1.2V、1.8V、2.5V和3.3V逻辑，方便与各种控制电路接口。

1.3 保护功能

• 反向电流保护（RCP）：可有效防止电流反向流动，增强电路的稳定性。
• 过压保护（OVP）：当输入电压超过设定值时，能及时切断电路，保护下游设备。
• 内部电流限制：具备快速跳闸功能，可在短路等故障情况下迅速响应，保护eFuse和负载。
• 热关断：当温度过高时，自动关闭eFuse，防止器件损坏。

1.4 其他特性

• 可配置上升时间：通过软启动功能，可配置输出电压的上升时间，减少浪涌电流。
• 封装与温度范围：提供陶瓷和塑料封装，并带有散热垫，适用于军事温度范围（–55°C至125°C）。

2. 应用领域

2.1 卫星电力系统

在卫星的电气电源系统（EPS）中，TPS7H2211-SP和TPS7H2211-SEP可用于冷备用电源（冗余）、电源排序、命令和数据处理以及通信有效载荷等方面。其辐射耐受性和保护功能能够确保卫星在太空辐射环境下稳定运行。

2.2 辐射加固和耐受电源树

在需要辐射加固和耐受的电源系统中，这两款eFuse可作为关键组件，为整个电源树提供可靠的保护和控制。

3. 器件选项

TPS7H2211有多种器件选项可供选择，包括不同的辐射等级、封装和订购编号。例如，TPS7H2211-SP有QMLV - RHA、QMLP - RHA、QMLV等不同等级，封装有16 - pin HKR CFP、32 - pin DAP HTSSOP等；TPS7H2211 - SEP则适用于太空增强塑料封装，为不同应用场景提供了更多选择。

4. 引脚配置与功能

4.1 引脚功能

• VIN：开关输入引脚，建议使用输入旁路电容以减少VIN下降。
• EN：高电平有效开关控制输入，不能浮空。
• OVP：过压保护引脚，可通过外部电阻分压器设置。若不需要OVP功能，应将该引脚接地。
• GND：器件接地引脚。
• SS：软启动（开关转换速率控制）引脚，若不需要该功能，可将其浮空。
• VOUT：开关输出引脚，建议使用至少10 - µF的输出电容。

4.2 裸片信息

文档还提供了裸片的相关信息，包括键合焊盘的金属化成分、厚度、尺寸等，为芯片级设计提供了详细的数据支持。

5. 规格参数

5.1 绝对最大额定值

• 输入电压：–0.5V至16V。
• 输出电压：–0.5V至16V。
• 软启动引脚电压：–0.3V至16V。
• 使能和过压保护引脚电压：–0.3V至7.5V。
• 连续开关电流：最大5.4A。
• 脉冲开关电流：（t ≤ 5 µs）最大30A。
• 结温：–55°C至150°C。
• 存储温度：–65°C至150°C。

5.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000V。
• 带电设备模型（CDM）：±500V。

5.3 推荐工作条件

• 输入电压：4.5V至14V。
• 输出电压：0V至14V（设备禁用时）；设备启用时，最大输出电压等于输入电压。
• 使能和过压引脚电压：0V至7V。
• 输入电压转换速率：最大0.015V/µs。
• 连续开关电流：最大3.5A。
• 工作结温：–55°C至125°C。

5.4 热信息

不同封装的热特性有所不同，例如TPS7H2211 - SP HKR（CFP）16引脚的结到环境热阻为23°C/W，而TPS7H2211 - SEP DAP（HTSSOP）32引脚的结到环境热阻为23.5°C/W。在设计时，需要根据实际应用考虑热性能。

5.5 电气特性

文档详细列出了各种电气特性，包括电源和电流、软启动、使能输入、过压保护、电流限制和热关断等方面的参数。例如，内部VIN欠压锁定（UVLO）上升阈值为3.2V至3.8V，软启动充电电流为65µA至83µA等。

5.6 开关特性

在不同输入电压下，给出了开关的导通时间、关断时间、输出电压下降时间、过压保护断言时间和去断言时间等参数。例如，在VIN = 12V时，导通时间典型值为220µs，关断时间典型值为41µs。

6. 详细描述

6.1 概述

TPS7H2211是一款单通道3.5 - A eFuse，具有可编程的导通转换速率（软启动）和过压保护功能，同时具备反向电流保护能力，适用于功率分配应用。

6.2 功能框图

通过功能框图可以清晰地看到eFuse的内部结构，包括线性调节器、电流检测、过流保护、控制逻辑、驱动器等部分，有助于理解其工作原理。

6.3 特性描述

• 使能和过压保护：通过连接到EN和OVP引脚的电阻分压器，可以设置使能和过压跳闸点。EN引脚控制内部开关FET的导通和关断，OVP引脚用于过压保护，当OVP引脚电压超过VOVPR时，开关FET将关闭。
• 电流限制：内部电流限制用于保护eFuse免受硬短路条件的影响。当发生短路时，电流限制电路会迅速响应，将开关关闭一段时间后再重新开启。
• 软启动（可调上升时间）：通过连接在VOUT和SS引脚之间的外部电容CSS，可以设置软启动时间tSS。为避免启动期间内部电流限制触发误跳闸，输出电压转换速率VOUTSR必须满足一定条件。
• 并联操作：TPS7H2211可以并联配置，以增加电流能力或降低导通电阻。在并联时，所有引脚共享，但由于SS引脚吸收电流，计算的电容值需要加倍。
• 反向电流保护：eFuse采用背对背FET结构，在开关禁用时可防止电流从VIN流向VOUT和从VOUT流向VIN。当开关启用时，若VOUT高于VIN一定值（VRcp ENTER），开关将关闭，直到VOUT - VIN下降到VRcp EXIT以下时再重新启用。
• 正向泄漏电流：当VIN供电但eFuse禁用时，存在从VIN到VOUT的寄生泄漏电流IF。在某些应用中，需要考虑该泄漏电流对输出电压的影响，可通过使用下拉电阻来控制输出电压。

6.4 器件功能模式

根据EN引脚的输入电压，eFuse有两种功能模式：当V EN < V ILEN时，开关关闭，VOUT为开路；当V EN > V IHEN时，开关导通，VOUT ≈ VIN。

7. 应用与实现

7.1 应用信息

TPS7H2211具有可配置的特性，如过压保护、软启动和使能功能，同时具备反向电流保护能力，适用于多种应用场景。

7.2 典型应用

• 冷备用（冗余）：在具有主电源和备用电源的应用中，TPS7H2211可实现冷备用功能。通过控制EN引脚，可以在主电源出现问题时切换到备用电源。设计时需要考虑输入和输出电容、使能控制、过压保护和软启动时间等参数。
• 负载保护：可用于保护负载免受上游闩锁敏感调节器的影响。当上游调节器出现故障时，eFuse可断开负载与调节器的连接，负载可由冗余电源供电。同样，设计时需要合理配置电容、使能阈值、过压保护和软启动时间等参数。

7.3 电源供应建议

TPS7H2211设计用于4.5V至14V的宽输入电压范围，电源电压必须稳定，并使用适当的本地旁路电容以确保电气性能。在太空应用中，通常需要使用多个输入旁路电容，总电容比商业应用大。

7.4 布局建议

为了获得最佳性能，布局时应尽量缩短所有走线长度，将输入和输出电容靠近器件放置，以减少寄生走线电感的影响。使用宽走线用于VIN、VOUT和GND，以降低寄生电气效应。特别注意缩短CSS电容在VOUT和SS之间的连接长度，以减少杂散电感。同时，使用热过孔连接散热垫，确保器件在故障条件下保持在允许的温度范围内。

8. 器件与文档支持

8.1 文档支持

提供了相关的文档，如总电离剂量（TID）辐射报告、单粒子效应（SEE）辐射报告、评估模块用户指南等，为工程师的设计和测试提供了全面的参考。

8.2 接收文档更新通知

可通过ti.com上的设备产品文件夹注册，接收文档更新的每周摘要通知。

8.3 支持资源

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、可靠答案和设计帮助的重要来源。

8.4 静电放电注意事项

该集成电路容易受到静电放电（ESD）的损坏，因此在处理和安装时需要采取适当的预防措施。

总结

TPS7H2211 - SP和TPS7H2211 - SEP是两款性能出色的辐射加固eFuse，具有强大的辐射耐受性、丰富的保护功能和可配置特性，适用于卫星等辐射环境下的多种应用。在设计时，工程师需要根据具体应用需求，合理选择器件选项、配置引脚参数，并注意布局和电源供应等方面的问题。通过充分利用其特性和文档支持，能够设计出稳定可靠的电源系统。你在使用类似eFuse的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。