TPS1641x：40V、1.8A 电源和电流限制 eFuse 深度解析

在电子设计领域，电源管理和电路保护至关重要。TPS1641x 作为一款集成 eFuse 设备，在电源和电流限制方面表现出色，为各类电子设备提供了可靠的保护和精确的控制。本文将对 TPS1641x 进行全面深入的剖析，涵盖其特性、应用、详细描述、设计要点等方面，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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1. 特性亮点

1.1 宽电压范围与低导通电阻

• 电压范围：TPS1641x 具有不同的工作电压范围。功率限制设备的输入电压范围为 4.5V 至 40V，电流限制设备为 2.7V 至 40V，并且输出端能够承受高达 -1V 的负电压。
• 低导通电阻：典型导通电阻 (R_{ON}=152 mΩ)，这有助于降低功耗，提高效率。

1.2 精确的功率和电流限制

• 功率限制：提供 2W 至 64W 的功率限制，在 15W 时功率限制精度可达 ±5%（功率限制设备）。
• 电流限制：电流限制范围为 0.03A 至 1.8A，在 1A 时电流限制精度可达 ±6%（电流限制设备）。

1.3 全面的保护功能

• 短路检测：具备 IN 到 OUT 短路检测功能，并通过 FLT 引脚进行指示，可用于诊断和驱动外部 PFET。
• 过压保护：可配置过压保护，最高可通过外部 FET 实现 60V 的过压保护。
• 过流保护：可配置过流保护（(I_{OCP})），还能设置瞬态电流的消隐时间。
• 过温保护：具有过温保护（OTP）和热关断功能。

1.4 其他特性

• 输出摆率控制：可调节输出摆率（dVdt），有效保护设备免受浪涌电流的影响。
• 使能和关断控制：方便控制设备的开启和关闭。
• 输出负载电流监测：通过 IOCP 引脚可监测输出负载电流。

2. 应用领域

TPS1641x 的应用十分广泛，涵盖了家电、医疗设备、工业控制等多个领域，具体包括：

• 家电领域：如冰箱、冰柜、烤箱、洗碗机等。
• 工业控制：HVAC 阀门和执行器控制。
• 医疗设备：呼吸机、麻醉输送系统等。

3. 详细描述

3.1 器件概述

TPS1641x 是一款集成 eFuse，集成了一个 (R_{ON}) 为 152mΩ 的 NFET。其中，TPS16410、TPS16411、TPS16414 和 TPS16415 提供功率限制功能，TPS16412、TPS16413、TPS16416 和 TPS16417 提供电流限制功能。部分型号还具备 IN 到 OUT 短路检测功能，可满足 IEC60335、UL60730 等标准的要求。

3.2 功能框图

TPS1641x 的功能框图展示了其内部结构，包括 IN 到 OUT 短路检测、过流保护、过压保护、功率或电流限制、输出摆率控制等模块，各模块协同工作，确保设备的稳定运行。

3.3 特性描述

3.3.1 使能和关断输入（EN/SHDN）

通过将 EN/SHDN 引脚拉低不同时长，可实现设备的低功耗关断模式或仅关闭内部 FET。PWM 信号可用于快速控制内部 FET 的开关。

3.3.2 过压保护（OVP）

通过连接电阻分压器可配置过压保护设定点。当 OVP 引脚电压超过 (V{OVPR}) 时，内部 FET 关闭，FLT 引脚置低；当电压低于 (V{OVPF}) 时，内部 FET 开启，FLT 引脚置高。

3.3.3 输出摆率和浪涌电流控制（dVdt）

在热插拔或给大电容充电时，可通过在 dVdt 引脚添加电容来控制输出摆率，降低浪涌电流。计算公式为 (SR=frac{I{INRUSH}}{C{OUT}}) 和 (C{dVdt}=frac{I{dVdt} × G_{dVdt}}{SR})。

3.3.4 有源电流限制（ILIM）

TPS16412、TPS16413、TPS16416 和 TPS16417 可对输出过流或过载情况进行主动电流限制。先通过 IDLY 引脚电容配置消隐时间，消隐时间结束后将电流限制在 ILIM 值。ILIM 可通过连接电阻到 ILIM 引脚进行设置，计算公式为 (I{LIM}=frac{0.984 A}{R{ILIM}} × 10 kΩ)。

3.3.5 有源功率限制（PLIM）

TPS16410、TPS16411、TPS16414 和 TPS16415 可对输出过流或过载情况进行主动功率限制。先通过 PDLY 引脚电容配置消隐时间，消隐时间结束后将功率限制在 PLIM 值。PLIM 可通过连接电阻到 PLIM 引脚进行设置，计算公式为 (P{LIM}=frac{13.82 W}{95.3 kΩ} × R{PLIM})。

3.3.6 过流保护（(I_{OCP})）和消隐时间（IDLY 或 PDLY）

过流保护设定点可通过连接电阻到 IOCP 引脚进行配置，计算公式为 (I{OCP}=frac{2.25 A}{R{IOCP}} × 7.32 kΩ)。消隐时间可通过连接电容到 IDLY 或 PDLY 引脚进行配置，计算公式为 (Blanking Time (IDLY or PDLY)=frac{6.5 ms}{12 nF} × CDLY)。

3.3.7 快速跳闸和短路保护

当检测到输出短路且电流达到 (I{SCP}) 水平时，设备在 (t{SCP_dly}) 延迟后关闭内部 FET。为防止输入瞬态导致的误跳闸，设备还包含快速跳闸比较器。

3.3.8 模拟负载电流监测（IMON）

通过 IOCP/IMON 引脚提供与 FET 电流成正比的模拟电流，可通过该引脚的电压监测输出电流，计算公式为 (I{OUT}=frac{V{IOCP}-(OS{IMON} × R{IOCP})}{G{IMON} × R{IOCP}})。

3.3.9 IN 到 OUT 短路检测

TPS16410、TPS16411、TPS16412 和 TPS16413 可检测 IN 和 OUT 引脚之间的短路。当检测到电阻小于 (R_{short}) 时，FLT 引脚置低。

3.3.10 热关断和过温保护

当设备温度超过 (T_{TSD}) 时，设备将关闭。部分型号在热关断后会保持锁定，需通过切换 EN/SHDN 或重启 Vcc 电源来复位。

3.3.11 故障响应和指示（FLT）

FLT 引脚为开漏输出，用于指示过压、IN 到 OUT 短路、过温、电流限制和功率限制等事件。

4. 应用与实现

4.1 应用信息

TPS1641x 可用于低功率电路的功率或电流限制，满足 IEC60335 和 UL60730 标准。具备 IN 到 OUT 短路检测功能，适用于家电、HVAC 执行器和医疗设备等领域。

4.2 典型应用：15W 功率限制

以 TPS16410 和 TPS16411 为例，可用于低功率电路的 15W 功率限制。设计时需设置过压设定点、输出过流设定点、输出功率限制，监测输出电流，并控制浪涌电流和输出摆率。

4.3 系统示例

在 DC/DC 或反激转换器的输出端，TPS1641x 可实现精确的功率或电流限制，并通过故障引脚提供额外保护。

4.4 最佳设计实践

• 使用 (C{IN} ≥10 nF) 对 (V{cc}) 和 IN 引脚进行去耦。
• 避免 OVP、PLIM/ILIM 和 IOCP/IMON 引脚悬空。
• 将设备的 PowerPAD 连接到 PCB 的 GND。
• 确保 EN/SHDN 引脚电压不超过 5V。

4.5 电源供应建议

• TPS16410 和 TPS16411 的输入电压范围为 4.5V 至 40V。
• TPS16412 和 TPS16413 的输入电压范围为 2.7V 至 40V。
• (V{IN} ≤V{CC} ≤60V)，FLT 引脚需上拉至不超过 60V 的电压，并使用上拉电阻使流入 FLT 引脚的电流小于 3mA。

4.6 布局设计

• 高电流功率路径连接应尽可能短，并能承载至少两倍的满载电流。
• GND（PowerPAD）引脚应通过最短的走线连接到 PCB 接地平面。
• 去耦电容应靠近 IN 和 GND 引脚放置，减少环路面积。
• 支持组件应靠近其连接引脚放置，减少寄生效应。
• 保护设备应靠近被保护设备放置，减少电感。

5. 总结

TPS1641x 是一款功能强大、性能可靠的集成 eFuse 设备，为电子设备的电源管理和电路保护提供了全面的解决方案。在实际设计中，工程师们需根据具体应用需求，合理配置设备参数，遵循最佳设计实践和布局原则，以确保设备的稳定运行。你在使用 TPS1641x 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。