TPS25946xx eFuse：电子工程师的可靠电源保护方案

在电子设备的设计中，电源保护是至关重要的一环。德州仪器（Texas Instruments）的 TPS25946xx 系列 eFuse 为电源保护提供了一个高度集成的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款 eFuse 的特点、应用以及设计要点。

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一、TPS25946xx 概述

TPS25946xx 是一款 2.7 - 23V、5.5A 的 eFuse，采用 2mm × 2mm、10 引脚的 HotRod QFN 封装，具有出色的热性能和较小的系统占位面积。它能够提供多种保护模式，使用极少的外部组件，是应对过载、短路、电压浪涌和过大浪涌电流的强大防线。其集成的背对背 FET 允许在导通状态下双向电流流动，而在关断状态下则阻止两个方向的电流流动，非常适合 USB OTG（On - The - Go）应用。

主要特性

1. 宽输入电压范围：2.7V 至 23V，绝对最大电压为 28V，适应多种电源环境。
2. 低导通电阻： (R_{ON}=28.3 mΩ)（典型值），减少功率损耗。
3. 双向电流支持：导通状态下双向电流流动，关断状态下反向电流阻断。
4. 快速过压保护：可调过压锁定（OVLO），响应时间为 1.2μs（典型值）。
5. 过流保护：正向过流保护，带有负载电流监测输出（ILM），可调阈值（(I{LIM})）为 0.5A 至 6A，精度为 ±10%（(I{LIM}>1A)）。
6. 可调输出压摆率和浪涌电流控制：通过单个外部电容调整。
7. 过热保护：内置热传感器，超过安全温度时自动关断。
8. 数字指示选项：电源良好指示（PG）、电源供应良好（SPLYGD）和故障（FLT）指示。
9. 认证：UL 2367 认证（文件编号 E339631 - (R_{ILM} ≥549Ω)），IEC 62368 - 1 CB 认证。

二、功能详解

1. 欠压锁定（UVLO 和 UVP）

TPS25946xx 在输入电压过低时实施欠压保护，默认锁定阈值为 (V{UVP})，可通过 EN/UVLO 引脚的 UVLO 比较器外部调整。使用电阻分压器可以设置 UVLO 设定点，公式为 (V{IN(UV)}=frac{V_{UVLO}×(R1 + R2)}{R2})。

2. 过压锁定（OVLO）

用户可以通过 OVLO 引脚的比较器调整过压保护阈值。当 OVLO 引脚电压超过上升阈值 (V{OV(R)}) 时，设备关闭输出电源；当电压降至下降阈值 (V{OV(F)}) 以下时，输出电源重新开启。设置 OVLO 设定点的公式为 (V{IN(OV)}=frac{V{OV}×(R1 + R2)}{R2})。

3. 浪涌电流、过流和短路保护

• 可调压摆率（dVdt）：通过连接电容到 dVdt 引脚控制浪涌电流，公式为 (SR(V/ms)=frac{I{INRUSH}(mA)}{C{OUT}(mu F)}) 和 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V/ms)})。
• 可调过流阈值（(I_{LIM})）：通过 ILM 引脚电阻 (R{ILM}) 设置，公式为 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)})。
• 可调快速跳闸阈值（(I_{SC})）：等于 (2×I_{LIM})，用于应对严重过流。
• 固定快速跳闸阈值（(I_{FT})）：用于稳态下的硬输出短路保护。

4. 模拟负载电流监测

ILM 引脚提供与从 IN 到 OUT 的 FET 电流成正比的模拟电流传感输出，用户可以通过测量 (R{ILM}) 两端的电压 (V{ILM}) 来监测输出负载电流，公式为 (I{OUT}(A)=frac{V{ILM}(mu V)}{R{ILM}(Omega)×G{IMON}(mu A/A)})。

5. 反向电流保护

集成的背对背 MOSFET 在设备断电或禁用状态下，阻止正向和反向电流流动。

6. 过热保护（OTP）

持续监测内部管芯温度 (T{J})，超过安全温度（TSD）时关闭设备，直到温度降至（TSD - (TSD{HYS})）以下。TPS25946xL 锁存关闭，需电源循环或重新启用；TPS25946xA 自动重试。

7. 故障响应和指示（FLT）

TPS259461x 变体提供一个低电平有效的外部故障指示（FLT）引脚，总结了设备对各种故障条件的响应。

8. 电源良好指示（PG）

TPS259460x 变体提供一个高电平有效的数字输出（PG），作为电源良好指示信号，根据 PGTH 引脚电压和设备状态信息进行断言。

9. 输入电源良好指示（SPLYGD）

TPS259461x 变体提供一个高电平有效的数字输出（SPLYGD），指示输入电源在有效范围内且设备已完成浪涌序列。

三、应用场景

TPS25946xx 适用于多种应用，如智能手机、平板电脑、数码相机、销售点终端、USB OTG 设备和无线充电器等。在智能手机的 USB OTG 应用中，它可以作为双向电源开关，提供过压和过流保护，同时支持电池充电和向外部配件供电。

四、设计示例

以智能手机 USB OTG 端口保护设计为例，介绍详细的设计步骤：

1. 设计要求

参数	值
充电时总线电压（(V_{IN})）	9V
充电时过压保护阈值（(V_{IN(OV)})）	14V
总线电源良好阈值（(V_{PG})）	4.5V
最大连续充电电流	3A
充电时负载瞬态消隐间隔（(t_{ITIMER})）	2ms
输出电容（(C_{OUT})）	47μF
输出上升时间（(t_{R})）	5ms
充电时过流阈值（(I_{LIM})）	3.25A
USB OTG 操作时支持的启动负载电流（(I_{LOAD})）	100mA
故障响应	自动重试

2. 详细设计步骤

• 设备选择：选择 TPS259460A 变体。
• 设置过压阈值：使用电阻 R1 和 R2 设置，公式为 (V{IN(OV)}=frac{V{OV(R)}×(R1 + R2)}{R2})，选择 (R1 = 470kΩ)，计算得 (R2 = 44.2kΩ)。
• 设置输出电压上升时间：计算所需压摆率 (SR(V/ms)=frac{V{IN}(V)}{t{R}(ms)} = 1.8V/ms)，计算 (C_{dVdt}(pF)=frac{2000}{SR(V/ms)} = 1111pF)，选择 1100pF 电容。
• 设置电源良好断言阈值：使用电阻 R3 和 R4 设置，公式为 (V{PG}=frac{V{PGTH(R)}×(R3 + R4)}{R4})，选择 (R3 = 100kΩ)，计算得 (R4 = 36.5kΩ)。
• 设置过流阈值：使用 (R{ILM}) 电阻设置，公式为 (R{ILM}(Omega)=frac{3334}{I_{LIM}(A)} = 1025.8Ω)，选择 1050Ω 电阻。
• 设置过流消隐间隔：使用 (C{ITIMER}) 电容设置，公式为 (C{ITIMER}(nF)=frac{t{ITIMER}(ms)×I{ITIMER}(mu A)}{Delta V_{ITIMER}(V)} = 2.38nF)，选择 2.2nF 电容。
• 选择外部偏置电阻：计算最大 (R5 = 15.7Ω)，选择 11Ω 电阻。
• 选择外部二极管：要求二极管具有低正向电压降、能够支持初始负载电流和小尺寸。

五、电源供应建议

• 输入电源电压范围为 2.7V 至 23V，若输入电源距离设备超过几英寸，建议使用大于 0.1μF 的输入陶瓷旁路电容。
• 电源供应额定值应高于设定的电流限制，以避免过流和短路时的电压下降。

六、布局指南

• 在 IN 端子和 GND 端子之间使用 0.1μF 或更大的陶瓷去耦电容，且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 端子应通过最短的走线连接到 PCB 接地平面，建议为 eFuse 设置单独的接地平面岛。
• IN 和 OUT 引脚用于散热，应尽可能连接到 PCB 顶层和底层的铜面积，并添加热过孔。
• 支持组件应靠近其连接引脚，连接到 GND 引脚的走线应尽可能短，以减少寄生效应。
• 保护设备应靠近被保护的设备，走线应短以减少电感。

七、总结

TPS25946xx eFuse 为电子工程师提供了一个功能强大、集成度高的电源保护解决方案。通过合理的设计和布局，可以确保设备在各种复杂的电源环境下稳定运行。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和设计要求，选择合适的参数和组件，为电子设备提供可靠的电源保护。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。