TPS25984x：高电流eFuse的卓越解决方案

在电子设计领域，高电流电路的保护和管理一直是一个关键挑战。德州仪器（TI）的TPS25984x系列产品为这一挑战提供了出色的解决方案。该系列产品集成了高电流电路保护和电源管理功能，采用小封装，能够有效应对各种复杂的应用场景。

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一、产品特性亮点

1. 宽输入电压范围与高耐压能力

TPS25984x的输入工作电压范围为4.5V至16V，绝对最大值可达20V，还能承受23.5V的10μs脉冲电压，输出端可承受高达 - 1V的负电压。这种宽电压范围和高耐压能力使得该产品能够适应多种不同的电源环境。

2. 超低导通电阻与高电流承载能力

其集成的FET具有超低的导通电阻，典型值为0.8mΩ，额定RMS电流为55A，峰值电流可达70A。这意味着在高电流应用中，能够有效降低功率损耗，提高系统效率。

3. 强大的保护功能

• 过流保护：过流阈值（IOCP）可在10A至55A之间调节，精度达±5%。在稳态运行时，可通过可调的瞬态过流定时器（ITIMER）支持高达2×IOCP的峰值电流。启动时的有源电流限制（ILIM）也可调节。
• 短路保护：对输出短路事件具有快速跳闸响应（<200ns），阈值可调，且不受电源线瞬变影响，避免误跳闸。
• 过压保护：固定16.7V阈值的快速过压保护，能及时切断过高的输入电压，保护负载设备。
• 浪涌电流保护：可调节输出压摆率控制（dVdt），有效限制启动时的浪涌电流，保护系统免受冲击。
• 过热保护：具备过热保护（OTP）功能，确保FET在安全工作区（SOA）内运行，FET SOA为10W√s。

4. 精确的电流和温度监测

• 模拟负载电流监测：精度为±1.4%，带宽>500kHz，能够实时、准确地监测负载电流，为系统的功率管理提供重要依据。
• 温度监测：集成了FET健康监测和报告功能，通过模拟管芯温度监测输出（TEMP），可实时了解器件的温度状态。

5. 灵活的并行连接

支持多个eFuse并联连接，以提供更高的电流支持。在启动和稳态期间，设备能够主动同步工作状态并实现负载共享，避免部分设备过载，提高系统的可靠性和稳定性。

6. 丰富的指示和控制引脚

• 故障指示引脚（FLT）：用于指示设备是否发生故障，方便系统进行故障诊断和处理。
• 电源良好指示引脚（PG）：表明设备处于稳态且能够提供最大功率，为系统的正常运行提供指示。
• 使能输入（EN/UVLO）：高电平有效，可调节欠压锁定（UVLO）阈值，方便控制设备的启动和关闭。

7. 小封装与环保设计

采用QFN 5mm × 5mm的小封装，节省电路板空间。同时，产品100%无铅，符合环保要求。

二、广泛的应用场景

TPS25984x适用于多种需要高电流保护和电源管理的应用场景，包括但不限于：

• 输入热插拔和热插拔：在服务器和高性能计算领域，设备的热插拔功能至关重要。TPS25984x能够有效保护电路，确保热插拔过程的安全和稳定。
• 服务器和高性能计算：为服务器的电源模块提供可靠的过流、短路和过压保护，保障服务器的稳定运行。
• 网络接口卡：在网络设备中，对电源的稳定性和可靠性要求较高。该产品能够满足网络接口卡的电源保护需求，提高网络设备的性能。
• 图形和硬件加速卡：图形和硬件加速卡通常需要高电流供电，TPS25984x的高电流承载能力和保护功能能够确保这些卡的正常工作。
• 数据中心交换机和路由器：数据中心的交换机和路由器需要高效、可靠的电源管理，该产品能够提供必要的保护和管理功能，提高数据中心的运行效率。
• 风扇托盘：为风扇托盘的电源提供保护，确保风扇的正常运转，维持设备的散热需求。

三、产品详细描述

1. 工作原理

TPS25984x通过监测VDD和IN总线，当电压超过各自的欠压保护（UVP）阈值后，等待插入延迟定时器时间，使电源稳定后再启动。通过采样EN/UVLO和SWEN引脚，高电平使内部MOSFET导通，允许电流从IN流向OUT；低电平则关闭MOSFET。启动成功后，持续监测负载电流和输入电压，控制内部FET，确保不超过编程的过流阈值，切断输入过压尖峰。

2. 功能模块

• 欠压保护：在VDD和VIN上实现欠压锁定，可通过EN/UVLO引脚的UVLO比较器外部调节保护阈值。
• 插入延迟：启动时设置插入延迟，确保电源稳定后再开启负载电源，防止系统出现意外行为。
• 过压保护：IN引脚的OVP比较器使用固定的过压保护阈值，输入电压超过阈值时，快速关闭功率FET；电压下降后，以dVdt控制方式开启FET。
• 浪涌、过流和短路保护：
  • 浪涌电流控制：通过调节dVdt引脚的电容，控制输出上升压摆率，降低浪涌电流。
  • 稳态过流保护：通过监测IMON引脚的电压与IREF引脚的参考电压比较，检测过流情况。超过阈值且未超过短路阈值时，通过ITIMER引脚电容控制是否触发断路器动作。
  • 启动时的有源电流限制：监测ILIM引脚电压与参考电压比较，超过阈值时调节负载电流，若温度过高则关闭FET。
  • 短路保护：采用可调节的快速跳闸阈值，检测到短路时快速触发保护序列，防止电流过大。
• 模拟负载电流监测：IMON引脚提供与负载电流成比例的模拟电流，可转换为电压进行监测，用于高级动态平台电源管理。
• 模式选择：MODE引脚可将设备配置为初级或次级设备，改变部分引脚功能，适应不同的应用需求。
• 并行设备同步：SWEN引脚作为控制和握手信号，使多个并联设备同步FET的开关状态，确保系统的稳定性。
• 堆叠多个eFuse：多个TPS25984x设备并联可提供更高的系统电流，通过特殊的电流共享机制，确保电流均匀分布，提高系统的可靠性和可扩展性。
• 模拟结温监测：TEMP引脚提供与结温成比例的模拟电压，可用于监测芯片温度，在多设备并联时，可报告最热设备的温度。
• 过热保护：内部热关断机制，当FET过热时，TPS259840锁存关闭，直到电源循环或重新启用；TPS259841冷却后自动重试开启。
• 故障响应和指示：FLT引脚指示设备故障，不同故障有不同的响应方式，可通过电源循环或拉低EN/UVLO引脚清除内部锁定的故障。
• 电源良好指示：PG引脚为高电平时，表示设备处于稳态且能提供最大功率，方便系统判断设备状态。
• 输出放电：当EN/UVLO引脚电压在特定范围内保持一定时间时，激活输出放电功能，快速清除输出电容上的残留电荷。
• FET健康监测：可检测FET的D - S短路、G - D短路和G - S短路等故障，检测到故障后关闭内部FET并发出故障指示。
• 单点故障缓解：针对IMON、ILIM、IREF和ITIMER引脚的单点故障，有相应的备份保护机制，确保设备在故障情况下仍能提供一定的保护。

四、应用与实现

1. 单设备独立运行

将MODE引脚悬空，可配置为独立运行模式。IREF引脚可由外部参考电压源驱动；在主机MCU控制系统中，EN/UVLO可连接到GPIO引脚，IMON引脚电压可通过ADC监测，主机MCU可通过DAC驱动IREF动态改变电流限制阈值；也可将ILIM和IMON引脚接地，IREF引脚悬空，作为简单的高电流负载开关使用。

2. 多设备并联连接

多个TPS25984x设备并联可提供更高的电流能力。一个设备作为主设备，其他作为从设备。主设备和从设备的引脚连接方式有所不同，所有设备的IN、OUT、EN/UVLO、DVDT、SWEN、PG、IMON和IREF引脚需连接在一起。在启动、浪涌和稳态等不同阶段，设备能够协同工作，实现电流共享和保护功能。

3. 与TPS25990x并联连接

TPS25990x作为主设备，与多个TPS25984x从设备并联，通过PMBus®接口实现数字遥测、控制和配置功能。主设备和从设备的引脚连接和功能分配遵循特定规则，确保系统的稳定运行。

4. 外部微控制器实现数字遥测

将TPS25984x与外部微控制器结合，可实现数字遥测、控制和配置功能。IMON连接到微控制器的ADC输入，用于监测负载电流；EN/UVLO连接到GPIO，实现数字开关控制；PG和FLT引脚连接到GPIO，监测设备状态；VIN和VOUT连接到ADC输入，监测总线电压；TEMP连接到ADC输入，监测芯片温度；IREF可连接到DAC输出，动态改变参考电压。

五、典型应用案例：数据中心服务器的12V、3.3kW电源路径保护

1. 应用需求

设计一个12V系统，电压容差±10%，最大稳态负载电流275A，允许16ms内的300A瞬态过载电流，持续过载则触发断路器并锁存关闭。需为50mF的大容量电容充电，启动时支持约10%的稳态负载。

2. 详细设计步骤

• 确定并联eFuse数量：根据单个TPS25984x在70°C环境下的最大稳态DC电流为55A，计算得出需要5个设备并联。
• 配置主从设备：使用MODE引脚将一个设备配置为主设备，其他为从设备。
• 选择DVDT电容：根据系统的负载情况和启动时间要求，计算平均浪涌功率损耗，确保系统满足启动条件。通过公式计算所需的DVDT电容值，选择合适的标准电容。
• 选择IREF电阻：根据系统的电流监测和控制需求，设置IREF参考电压，计算并选择合适的IREF电阻，同时添加电容提高抗噪能力。
• 选择IMON电阻：根据系统的过流保护阈值和IMON电流监测增益，计算并选择合适的IMON电阻，添加电容降低噪声。
• 选择ILIM电阻：根据系统的电流共享和启动电流限制需求，计算并选择合适的ILIM电阻，确保启动时的电流限制和稳态时的电流共享。
• 选择ITIMER电容：根据瞬态过流消隐时间要求，计算并选择合适的ITIMER电容，主设备使用电容，从设备ITIMER引脚悬空。
• 选择电阻设置欠压锁定阈值：使用外部电阻分压器网络调节欠压锁定阈值，选择合适的电阻值，添加电容降低噪声。
• 选择VIN和VDD之间的R - C滤波器：使用R - C滤波器为VDD提供稳定的电源，过滤噪声，在并联链中每个设备都需使用。
• 选择SWEN、PG和FLT引脚的上拉电阻和电源：确保这些引脚的上拉电压在合适范围内，SWEN引脚的上拉电源需在设备启用前可用。
• 选择输入TVS二极管和输出肖特基二极管：为防止短路和过载时的电压尖峰损坏设备，选择合适的TVS二极管和肖特基二极管，满足电流和电压要求。
• 选择CIN和Cout电容：添加陶瓷旁路电容稳定输入和输出电压，CIN值应较小，Cout值可较大。

3. 应用曲线

通过实际测试，展示了输入热插拔、启动、短路、瞬态过载和断路器响应等不同情况下的波形，验证了设计的有效性。

六、最佳设计实践与建议

1. SWEN引脚电源

SWEN引脚需上拉到在设备启用前已供电的电源轨，可选择系统中的现有备用轨、LDO、齐纳调节器或主eFuse的ITIMER引脚作为上拉电源。

2. PG引脚处理

PG引脚为开漏输出，需上拉到外部电源，稳态时不要使其浮空或强制拉低，以免影响设备运行。

3. 电源供应

TPS25984x的IN和VDD引脚供电电压范围为4.5V至16V，建议在每个并联设备的IN引脚使用至少0.1μF的电容，在VDD引脚使用R - C滤波器，过滤噪声并在故障时维持控制器电源。

4. 瞬态保护

为防止短路或断路器事件时的电压尖峰损坏设备，可采取减少引线长度和电感、使用大PCB GND平面、添加TVS二极管和肖特基二极管、在IN和OUT引脚添加电容等措施。

5. 输出短路测量

输出短路测试结果受多种因素影响，难以获得可重复和相似的结果，实际测试时需注意测试配置和方法。

6. 布局设计

• 电容放置：在IN和GND之间使用至少0.1μF的陶瓷去耦电容，在OUT和GND之间使用至少2.2μF的陶瓷去耦电容，放置位置应尽量靠近设备引脚，减少环路面积。
• 功率路径连接：高电流功率路径连接应尽量短，尺寸应能承载至少两倍的满载电流。
• GND连接：GND引脚应连接到PCB的接地平面。
• 散热设计：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。
• 支持组件布局：RILIM、RIMON、RIREF、CdVdT、CITIMER、CIN、COUT、CVDD和EN/UVLO引脚的电阻等支持组件应靠近其连接引脚，连接到GND引脚的走线应尽量短，减少寄生效应。
• 信号隔离：IMON、ILIM和IREF引脚的PCB走线应远离噪声信号，SWEN引脚应尽量减少寄生负载，保护设备应靠近被保护设备，走线应短，减少电感。

七、总结

TPS25984x系列产品以其丰富的功能、强大的保护能力和灵活的应用方式，为高电流电路的保护和管理提供了全面的解决方案。无论是在服务器、数据中心还是其他高性能应用中，都能够发挥重要作用，提高系统的可靠性、稳定性和效率。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择和配置相关组件，遵循最佳设计实践，以充分发挥该产品的优势。你在使用TPS25984x的过程中遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。