工业电流保护新选择：TPS2661x系列芯片深度解析

在工业和过程自动化系统中，电流输入、电压输入/输出以及传感器电源的保护至关重要。今天，我们就来深入探讨一款能为这些方面提供全面保护的芯片——TPS2661x系列。

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一、TPS2661x概述

TPS2661x是德州仪器（TI）推出的一系列专为电流环路设计的保护器，具备精准、高效且全面的保护能力。其工作电压范围覆盖 ±50V，绝对最大电压达 ±55V，能适应各种复杂的工业环境。

1.1 特点亮点

• 强大的电流限制：集成固定的双极性32mA电流限制，在启动时可支持两倍的电流限制，为设备启动提供充足动力。
• 节省空间：相比典型的离散保护电路，能节省50%的空间，让电路板设计更加紧凑。
• 低导通电阻：典型值仅为7.5Ω，有效减少了电流环路中的压降，延长了操作范围，即使使用低电压电源也能稳定工作。
• 低功耗：当由外部电源供电时，从环路汲取的电流 (I_{Q}<100nA)，极大降低了功耗。
• 多重保护功能：对IN和OUT引脚的误接线情况提供保护，还能在信号线路浪涌（IEC61000 - 4 - 5，需外部TVS）和电气快速瞬变（IEC61000 - 4 - 4，需外部TVS）时确保设备安全。
• 支持多种功能：部分型号支持无电源环路测试（如TPS26610），符合HART通信标准，具备使能控制和系统健康监测功能（SGOOD引脚），还有热关断保护。

1.2 应用领域广泛

• 工厂自动化与控制：可用于PLC的模拟输入和输出模块，保障信号传输稳定。
• 电机驱动控制：为电机提供稳定的电流保护，确保电机正常运行。
• HART输入：满足HART通信系统的需求。
• HVAC控制器：在暖通空调系统中，保护电路免受异常电流影响。
• UART IO保护：防止UART接口因电流异常而损坏。
• 热控制器：为热控系统的电流环路提供可靠保护。

二、不同型号性能对比

TPS2661x系列包含多个型号，如TPS26610、TPS26611、TPS26612、TPS26613和TPS26614，它们在功能和应用上各有侧重。	PART NUMBER	EN PIN	LOOP TESTING WITHOUT ±Vs SUPPLIES (LOOP POWER MODE)	EXTENDED OVERLOAD DURATION FOR FIRST OVERLOAD EVENT	LATCH - OFF or AUTO - RETRY WITH INPUT < –Vs	APPLICATION
TPS26610	No	Yes	No	Latch - off	电流输入保护
TPS26611	Yes	No	No	Latch - off	多路复用电压和电流输入、模拟输出保护
TPS26612	Yes	No	Yes（过载时间最长可达5s）	Latch - off	发射器和模拟输出的电源保护
TPS26613	No	Yes	No	Auto - retry	电流输入
TPS26614	Yes	No	No	Auto - retry	多路复用电压和电流输入、模拟输出

工程师们在选择型号时，需根据实际应用场景和需求来综合考虑。例如，如果需要进行无电源环路测试，TPS26610和TPS26613会是不错的选择；若要对多路复用输入进行保护，TPS26611和TPS26614更为合适。

三、关键特性解析

3.1 过载保护与快速跳闸

TPS2661x具备固定的32mA典型双向电流限制。当电流试图超过 (I_{OL}) 限制时，设备会调节电流，最终降低输出电压。通过MODE引脚可选择过载电流阈值和保护时间。同时，为应对快速瞬变事件（如输出短路、误接线、热插拔等），芯片还集成了快速跳闸比较器。在这些事件发生时，电流会迅速增加，由于电流限制放大器带宽有限，无法快速响应，此时快速跳闸比较器能在短时间（t(FASTTRIP)）内关闭内部FET，之后再缓慢开启，让电流限制环路根据MODE引脚配置调节输出电流。

3.2 单向电流输入的反向电流阻断

对于TPS26610、TPS26611和TPS26612，通过将负载电阻连接到GND并使用单电源（+Vs, GND），可以有效阻断反向电流（OUT到IN），当IN引脚电压为负时，设备会自动切断反向电流。

3.3 过压、欠压时的输出和输入切断

各型号在过压、欠压以及误接线保护上有所不同：	Device	Output Overvoltage	Output Undervoltage	Input Undervoltage
TPS26610	Y	Y	Y
TPS26611	Y	Y	Y
TPS26612	Y	Y
TPS26613	Y	Y	N
TPS26614	Y	Y	N

当 (V{OUT}) 超过 (V{OUT_OVLO}) 阈值时，内部的通路FET会关闭，切断信号路径；当 (V{OUT}) 低于 ([V{OUT_OVLO} - V_{OUT_OVLO_Hyst}]) 时，信号路径会恢复。对于输入和输出欠压，不同型号也有相应的保护机制。

3.4 外部电源供电

TPS2661x由外部 +Vs/–Vs 电源供电，确保不会从携带电流信息的IN/OUT引脚汲取电流。对于需要正负电压的系统，可使用双电源（+Vs和–Vs）；对于仅需正电压的系统，使用单电源（+Vs和GND）即可。不同型号在电源电压范围上有一定差异，如TPS26610、TPS26611、TPS26613和TPS26614在单电源供电时可从 +3V 到 +30V，TPS26612则从 +4V 到 +30V。

3.5 无 ±Vs 电源的环路测试（仅TPS26610、TPS26613）

这两款型号在外部 +Vs/–Vs 电源不存在时，仍允许双极性电流受限传导。设备会切换到环路供电模式，从4 - 20mA 或 ±20mA 电流环路中获取工作电源。这一特性方便现场安装工程师在不开启系统的情况下，通过向电流环路通入测试电流来检查整个电流环路系统的布线情况，也有助于设计安全关键的冗余系统。在环路测试时，设备有一定的电压降 (V{(IN - OUT)no_Vs})，电流限制为 (I{OL_noVs})，并且当功率耗散超过500mW（典型值）时，会进行热保护，短时间关闭内部FET以限制功率。

3.6 使能控制（仅TPS26611、TPS26612、TPS26614）

这三款型号带有EN引脚，可通过GPIO引脚进行外部控制。EN引脚内部有上拉电阻，可悬空使设备启用，也可通过外部电压使其高于 (V{(ENR)}) 来启用，当EN引脚电压低于 (V{(ENF)}) 时，内部FET会关闭。这一功能为系统设计师提供了更多的灵活性，可用于设计通用的电压和电流模拟输入输出模块。

3.7 信号良好指示器（SGOOD）

SGOOD引脚用于指示通过通路FET的电流信号状态。当设备正常工作时，SGOOD引脚输出低电平；当设备出现异常（如电流超过 (I_{OL}) 、OUT超出 +Vs/–Vs 电源范围、IN低于 –Vs 电源轨（仅TPS26610、TPS26611、TPS26612）、设备因热限制或电流限制而关闭）时，SGOOD引脚会变为高电平。该引脚还能驱动外部LED，直观显示系统的工作状态。

3.8 设备功能模式

通过MODE引脚可配置设备在不同电流下的行为：

• MODE = GND：当 (I{OUT}>I{OL}) 时，设备将电流限制在 (I_{OL}) 值。
• MODE = OPEN：对于 (I{OL}{OUT}<2 ×I{OL}) ，设备允许电流在 (t{OL_Pulse_Expiry}) 时间内达到 (2 ×I{OL}) ，然后在 (t{OL_Expiry}) 时间内将电流限制在 (I{OL}) 值；对于 (2 ×I{OL}{OUT}{(FASTRIP)}) ，同样先将电流限制在 (2 ×I{OL}) 值 (t{OL_Pulse_Expiry}) 时间，再在 (t{OL_Expiry}) 时间内限制在 (I{OL}) 值，之后进入自动重试。
• MODE = 180 kΩ：对于 (I{OL}{OUT}<2 ×I{OL}) ，设备允许电流在 (t{OL_Extend}) 时间内达到 (2 ×I{OL}) ，然后在 (t{OL_Expiry}) 时间内将电流限制在 (I{OL}) 值；对于 (2 ×I{OL}{OUT}{(FASTRIP)}) ，先将电流限制在 (2 ×I{OL}) 值 (t{OL_Pulse_Expiry}) 时间，再在 (t{OL_Expiry}) 时间内限制在 (I{OL}) 值，之后进入自动重试。

四、应用案例分析

4.1 模拟输入保护（TPS26610）

在模拟输入模块的电流输入保护中，TPS26610可发挥重要作用。其双极性电流限制为 ±32mA，能保护精密负载电阻和ADC前端免受异常电压和电流的影响。同时，IN引脚的高电压额定值使其能有效抵御浪涌和EFT事件。在设计时，需合理选择 ±Vs 电源、负载电阻 (R_{Burden}) 和MODE配置。例如，为使负载电阻功耗最小，可选择MODE = GND。

4.2 多路复用电流和电压输入保护（TPS26611）

TPS26611适用于模拟输入模块的多路复用输入保护。通过连接IN和OUT引脚到ADC的不同通道，结合EN引脚可实现电流和电压测量的切换。在设计时，除了选择合适的 ±Vs 电源和MODE配置外，还需选择合适的偏置电阻R1和R2来设置电压输入的共模电压。

4.3 两线发射器电源保护（TPS26612）

TPS26612可用于保护为两线现场发射器供电的电源。在电源启动后的第一次过载故障中，其过载过期时间（ (t{OL_expiry}) ）在 (t{AR_dis}) （5秒）内禁用，这使得它能够启动需要长时间高启动电流的两线发射器。启动时的电流限制阈值可通过MODE引脚选择。

4.4 其他应用

TPS26611和TPS26612还可用于保护3/4线发射器和模拟输出模块、UART IO线路等。通过监测OUT引脚电压，当电压超出 +Vs/–Vs 电源范围时，FET会切断电流传导路径，保护整个系统。TPS26613和TPS26614在输入电压小于 –Vs 时提供自动重试功能，可支持更高的环路阻抗。

五、电源与布局建议

5.1 电源建议

不同型号的TPS2661x在电源选择上有所不同，具体如下：	Device	Dual Supply (±Vs)	Single Supply (+Vs, GND)
TPS26610、TPS26611、TPS26613、TPS26614	+Vs: 2.25 V to 30 V, –Vs: –20 V to 0 V	+Vs: 3 V to 30 V, –Vs: GND
TPS26612	+Vs: 2.25 V to 30 V, –Vs: –20 V to 0 V	+Vs: 4 V to 30 V, –Vs: GND

使用双电源时，+Vs 和 –Vs 之间的最小差值为3V。若要进行单电源反向电流阻断，可参考相关章节。

5.2 布局指南

• 尽量缩短环路电流功率路径，减少干扰。
• 将 (R_{MODE}) 电阻靠近设备的MODE和GND引脚放置。
• 为保护输入免受IEC61000 - 4 - 5浪涌瞬变影响，将TVS靠近设备的IN引脚放置。
• 如果 ±V (pm V_{s}) 电源离设备较远，在设备附近放置至少100nF的陶瓷电容器。
• 将 (R_{burden}) 的两端差分路由到ADC输入（AINP, AINM）。
• 使EN和SGOOD信号线远离环路电流，避免数字噪声干扰。

六、总结与思考

综上所述，TPS2661x系列芯片凭借其丰富的功能、强大的保护能力和广泛的应用场景，为工业电流环路保护提供了一个优秀的解决方案。然而，在实际应用中，工程师们还需要根据具体的电路要求和系统环境，仔细选择合适的型号和配置参数。例如，如何在不同的MODE配置下优化系统性能？怎样根据电源情况和布线环境，合理设计电路板布局以充分发挥芯片的优势？这些问题都值得我们进一步深入研究和探索。希望本文能为工程师们在使用TPS2661x系列芯片时提供一些有用的参考和思路。