TPS25984Bx：高性能集成热插拔 eFuse 助力电源保护与管理

在电子设备的设计中，电源保护和管理至关重要。今天，我们来深入探讨德州仪器（TI）的 TPS25984Bx 系列产品，这是一款高电流、可堆叠的集成热插拔保护（eFuse）设备，在小封装内提供了强大的功能和可靠的保护。

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一、产品概述

TPS25984Bx 工作在 4.5V - 16V 的输入电压范围内，绝对最大电压可达 20V DC 和 23.5V 瞬态，还能承受高达 -1V 的负输出电压。它集成了超低 (R_{DSON})（典型值 0.8mΩ）的 FET，额定 RMS 电流为 55A，峰值电流可达 70A。此外，该设备支持多个 eFuse 并联以提供更高的电流，在启动时实现电流平衡，具备强大的过流、短路和过压保护功能，还能精确监测负载电流。

二、主要特性

1. 宽输入电压范围与高耐压能力

输入工作电压范围为 4.5V - 16V，能适应多种电源环境。绝对最大电压和瞬态电压的高指标，以及对负输出电压的承受能力，增加了设备在复杂电源条件下的可靠性。

2. 超低导通电阻与高电流能力

集成的 FET 具有超低 (R_{DSON})，典型值为 0.8mΩ，降低了功率损耗。额定 RMS 电流 55A 和峰值电流 70A，满足高功率应用的需求。

3. 多 eFuse 并联支持

多个 TPS25984Bx 可并联使用，在启动时实现电流平衡，避免部分设备过载，提高系统的整体电流容量和可靠性。

4. 全面的保护功能

• 过流保护：过流阈值（IOCP）可在 10A - 80A 之间调节，精度为 ±5%。内部瞬态过流消隐定时器允许系统支持负载电流的瞬态峰值，避免误触发。
• 短路保护：对输出短路事件的快速跳闸响应（<200ns），有可调（(2 ×I_{OCP})）和固定阈值，且不受电源线路瞬变影响，防止误跳闸。
• 过压保护：固定 18.4V 过压保护阈值，快速响应输入过压情况。
• 过热保护：具备过热保护（OTP）功能，当结温过高时自动关闭 FET，保护设备安全。

5. 精确的电流监测

模拟负载电流监测精度为 ±1.4%，带宽 >500kHz，能实时准确地监测负载电流，为系统的电源管理提供重要数据。

6. 其他特性

• 可调输出压摆率控制（dVdt），用于抑制浪涌电流。
• 具有可调欠压锁定（UVLO）的高电平使能输入。
• 集成 FET 健康监测和报告功能。
• 提供模拟管芯温度监测输出（TEMP）、专用故障指示引脚（GOK/FLT）和电源良好指示引脚（PG）。

三、引脚配置与功能

TPS25984Bx 采用 QFN - 32 封装，各引脚功能明确：

• OUT 引脚：电源输出，需均匀焊接到输出电源平面，确保良好的散热和电流分布。
• D_OC 引脚：开漏信号，指示过流事件。
• EN/UVLO 引脚：高电平使能输入，可通过电阻分压器设置欠压阈值。
• GOK/FLT 引脚：开漏低电平故障指示，也可用于并联设备间的故障同步。
• PG 引脚：开漏高电平电源良好指示，建议外部上拉到逻辑电平电源。
• TEMP 引脚：模拟管芯温度监测输出，可多个设备并联使用以指示链中最高温度。
• DVDT 引脚：启动输出压摆率控制引脚，连接电容可减慢压摆率，控制浪涌电流。
• ILIM 引脚：设置启动时的电流限制阈值和稳态时的断路器及快速跳闸阈值，也可作为模拟负载电流监测。
• IREF 引脚：过流和短路保护块的参考电压，可通过内部电流源和电阻或外部电压源驱动。

四、应用领域

TPS25984Bx 适用于多种应用场景，包括：

• 服务器和高性能计算：保护服务器电源输入，确保系统稳定运行。
• 网络接口卡：防止过流、短路等故障对网络设备造成损坏。
• 图形和硬件加速卡：为高功率显卡和加速卡提供可靠的电源保护。
• 数据中心交换机和路由器：保障数据中心设备的电源安全。
• 风扇托盘：保护风扇电源，延长风扇使用寿命。

五、应用设计示例

以 12V、3.3kW 数据中心服务器电源路径保护为例，详细介绍设计步骤：

1. 确定并联 eFuse 数量

根据最大稳态直流负载电流和单个 eFuse 的额定电流，计算所需并联的 eFuse 数量。在本示例中，最大稳态负载电流为 275A，单个 TPS25984Bx 在 70°C 环境下的最大稳态直流电流为 55A，因此需要 6 个 eFuse 并联。

2. 选择 (C_{DVDT}) 电容

为控制输出压摆率和启动时间，需根据系统负载和启动时间要求选择合适的 (C{DVDT}) 电容。通过计算平均浪涌功率损耗，确保系统满足启动条件，并根据公式计算 (C{DVDT}) 值。在本示例中，计算得到 (C_{DVDT}) 为 258nF，选择最接近的标准值 250nF。

3. 选择 (R_{IREF}) 电阻

设置过流保护的参考电压，通过 (R{IREF}) 电阻与内部电流源相互作用产生参考电压。在本示例中，将 (V{IREF}) 设置为 1.62V，计算得到 (R_{IREF}) 为 27kΩ。

4. 选择 (R_{IMON}) 电阻

用于监测每个 eFuse 的电流，根据电流监测增益和系统要求选择合适的 (R_{IMON}) 电阻。

5. 选择 (R_{ILIM}) 电阻

设置稳态和启动时的过流（断路器）和快速跳闸阈值。在本示例中，将 (I{OCP}) 设置为 480A，计算得到 (R{ILIM}) 为 2kΩ。

6. 选择电阻设置欠压锁定阈值

通过外部电阻分压器网络调整欠压锁定（UVLO）阈值，选择合适的电阻值并添加电容进行降噪。

7. 选择上拉电阻和电源

GOK/FLT 和 PG 引脚为开漏输出，需通过上拉电阻连接到合适的电压。

8. 选择 TVS 二极管和肖特基二极管

为防止输入和输出的电压瞬变，选择合适的 TVS 二极管和肖特基二极管。TVS 二极管用于钳位输入正瞬态电压，肖特基二极管用于吸收输出负尖峰。

9. 选择 (C{IN}) 和 (C{OUT}) 电容

添加陶瓷旁路电容稳定输入和输出电压，建议 (C{IN}) 为 0.1µF，(C{OUT}) 为 2.2µF。

六、布局建议

• 在 IN 端子和 GND 端子之间添加 0.1 μF 或更大的陶瓷去耦电容，OUT 端子和 GND 端子之间添加 2.2 μF 或更大的陶瓷去耦电容，且去耦电容应尽可能靠近设备的 IN 和 GND 端子。
• 高电流承载的电源路径连接应尽可能短，并能承载至少两倍的满载电流。
• GND 端子应连接到 PCB 接地平面，IN 和 OUT 引脚用于散热，应连接尽可能多的铜面积并使用热过孔。
• 支持组件（如 (R{ILIM})、(R{IMON})、(R{IREF})、(C{dVdt}) 等）应靠近其连接引脚，并将另一端连接到设备的 GND 引脚，且走线应尽可能短，避免与开关信号耦合。
• 保护设备（如 TVS、肖特基二极管等）应靠近被保护设备，并使用短走线以减少电感。

七、总结

TPS25984Bx 是一款功能强大、性能可靠的集成热插拔 eFuse 设备，为电子设备的电源保护和管理提供了全面的解决方案。通过合理的设计和布局，它能有效提高系统的可靠性和稳定性，适用于多种高功率应用场景。电子工程师在设计过程中，应根据具体需求选择合适的参数和组件，确保系统的性能和安全性。你在使用 TPS25984Bx 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。