TPS25940xx-Q1 eFuse：功能特性与应用设计全解析

在电子设计领域，电源管理与保护至关重要。德州仪器（Texas Instruments）的TPS25940xx-Q1 eFuse是一款专为汽车应用打造的高性能电源开关，具备丰富的功能和出色的保护特性。今天，我们就来深入探讨这款器件的特点、应用以及设计要点。

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一、器件概述

TPS25940xx-Q1是一款紧凑型、功能丰富的电源管理器件，拥有全面的保护功能。它的工作电压范围为2.7V至18V，最大可承受20V电压，适用于多种常见的直流总线电压控制。其集成的背对背FET提供双向电流控制，非常适合具有负载侧保持能量的系统，可防止能量回流到故障电源总线。

1.1 主要特性

• 汽车级应用认证：通过AEC-Q100认证，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，HBM ESD分类等级为2级，CDM ESD分类等级为C5，确保在汽车环境中的可靠性。
• 低导通电阻：典型总导通电阻 (R_{ON}) 为42mΩ，可降低功率损耗。
• 可调电流限制：电流限制范围为0.6A至5.3A，精度为 ±8%，可根据应用需求灵活调整。
• 电流监测输出：IMON引脚提供与负载电流成比例的输出，方便进行系统健康监测。
• 过欠压保护：可调过欠压阈值，精度为 ±2%，有效保护系统免受电压异常的影响。
• 反向电流阻断：可在1μs内实现反向电压关断，防止反向电流损坏器件。
• 可编程输出电压斜率控制：通过 (dV_{o} / dt) 控制，可减少浪涌电流，降低对电源的冲击。
• 电源良好和故障输出：PGOOD和FLT引脚可提供系统状态信息，便于系统监控和故障处理。
• 短路保护：具备短路到电池和短路到地保护功能，确保系统在短路情况下的安全。
• 故障响应模式可选：TPS25940-Q1/TPS259401A-Q1支持自动重试模式，TPS25940L-Q1支持锁存关闭模式。

二、应用领域

TPS25940xx-Q1广泛应用于多个领域，以下是一些典型应用场景：

• 汽车信息娱乐系统：为汽车音响、导航等设备提供可靠的电源保护，确保系统的稳定性和安全性。
• ADAS摄像头和雷达传感器：在高级驾驶辅助系统中，为摄像头和雷达传感器提供稳定的电源，保证其正常工作。
• USB集线器：保护USB端口免受短路、过压等故障的影响，确保数据传输和设备充电的安全。
• 电源多路复用：实现多个电源之间的切换和管理，提高电源的利用率。
• 保持电源管理：在电源故障时，确保关键设备的持续供电，保护数据安全。

三、详细功能解析

3.1 使能与欠压锁定

EN/UVLO引脚控制内部FET的开关状态。当该引脚电压低于 (V{(ENF)}) 时，内部FET关闭，断开输入与输出的连接；当电压低于 (V{(SHUTF)}) 时，器件进入关机模式，功耗极低。通过外部电阻分压器可对欠压锁定阈值进行编程，当检测到欠压或输入电源故障时，内部FET迅速关闭，并通过FLT引脚发出故障信号。

3.2 过压保护（OVP）

通过连接从电源到OVP引脚再到地的电阻分压器，可对过压阈值进行编程。当OVP引脚电压超过 (V_{(OVPR)}) 时，内部FET关闭，保护下游负载。不使用时，该引脚应接地。

3.3 热插拔和浪涌电流控制

该器件可控制热插拔时的浪涌电流，减少对背板电源电压的影响，防止系统意外复位。通过连接从 (dVdT) 引脚到地的外部电容，可定义输出电压的上升斜率，计算公式如下： [ (dVdT)=left(frac{C{(dVdT)}}{GAIN{(dVdT)}}right) timesleft(frac{dV{(OUT) }}{dt}right) ] 其中， (I{(d V d T)}=1 mu A)（典型值）， (GAIN{(dVdT)}=12)。总上升时间 (t{dVdT}) 可通过以下公式计算： [ t{dVdT}=8.3 × 10^{4} × V{(IN)} × C{(dVdT)} ] 浪涌电流 (I{(INRUSH)}) 可通过以下公式计算： [ (INRUSH) =C{(OUT) } × V{(IN)} / t_{d v d T} ]

3.4 过载和短路保护

通过监测内部感测电阻上的电压，实时监控负载电流。在过载情况下，电流被限制在由 (R{(ILIM)}) 电阻编程的电流限制值 (I{(LIM)}) ，计算公式为： [ (LIM)=frac{89}{R{(LLIM)}} ] 当发生短路时，快速跳闸比较器会在电流超过 (I{(FASTRIP)}) （ (I{(FASTRIP)} = 1.5 ×I{(LIM)}+ 0.375) ）时，在1μs内关闭通过器件，终止快速短路峰值电流。之后，器件会缓慢重新开启，由电流限制环路将输出电流调节到 (I_{(LIM)}) 。

3.5 故障响应

FLT引脚为开漏输出，在欠压、过压、反向电压和热关断等故障条件下，该引脚会拉低，发出故障信号。故障信号会一直保持，直到故障条件消除，器件恢复正常工作。

3.6 电流监测

IMON引脚的电流源与从输入到输出的电流成比例，通过连接从IMON引脚到地的电阻 (R{(IMON)}) ，可将电流转换为电压，用于监测系统的电流流动。输出电压 (V{(IMON)}) 可通过以下公式计算： [ V{(IMON )}=left[l{(OUT) } × GAIN (IMON) +l{(IMON _o S)}right] × R{(IMON )} ] 其中， (GAIN{(IMON) }= 52 mu A / A)， (I{(IMON_OS) }=0.8 mu A)（典型值）。

3.7 电源良好比较器

器件内置电源良好比较器，用于向下游DC-DC转换器或系统监测电路提供状态信息。比较器的负端有一个内部参考电压 (V_{(PGTHR) }=0.99 ~V) ，正端PGTH可用于监测器件的输入或输出电压。当内部FET完全导通且PGTH引脚电压高于内部参考电压时，比较器输出PGOOD引脚为高电平。

3.8 输入、输出和接地引脚

器件有多个输入（IN）和输出（OUT）引脚，所有IN引脚应连接在一起并连接到电源，建议在IN引脚和地之间靠近器件处连接陶瓷旁路电容，以减轻总线瞬变。所有OUT引脚应连接在一起并连接到负载，输出电压 (V{(OUT)}) 可通过以下公式计算： [ V{(OUT) }=V{(IN) }-left(R{ON} × I{(OUT) }right) ] 其中， (R{ON}) 为内部FET的总导通电阻。GND引脚是电路中最负的电压，用作所有电压参考的基准。

3.9 热关断

当器件结温超过160°C（典型值）时，内部过热关断功能会关闭FET。TPS25940L-Q1版本会保持锁存关闭状态，而TPS25940-Q1/TPS259401A-Q1版本会在结温下降到 (T_{(TSD)}-12^{circ} C) 以下128ms后开始自动重试循环。

四、器件功能模式

4.1 DevSleep模式

TPS25940xx-Q1提供专用的DevSleep接口端子（DEVSLP），当该引脚拉高时，器件进入低功耗DevSleep模式。在此模式下，器件的静态电流消耗限制在小于130μA（典型值为95μA），输出电压保持活跃，过载电流限制设置为 (I_{(DEVSLP(LIM))}) ，反向比较器和电流监测功能禁用，但其他保护功能仍然有效，确保系统在DevSleep模式下的安全。

4.2 关机控制

通过将UVLO引脚电压降至0.6V以下，可远程关闭内部FET和负载电流。在此状态下，可以将器件的静态电流降低到小于20μA。释放UVLO引脚后，器件将以软启动方式开启。

五、应用设计

5.1 设计要求

在设计TPS25940xx-Q1的应用电路时，需要考虑以下设计参数：	设计参数	示例值
输入电压 (V_{(IN)})	12V
欠压锁定设定点 (V_{(UV)})	10.8V
过压保护设定点 (V_{(LIM)})	16.5V
启动时的负载 (R_{L(SU)})	4.8Ω
电流限制 (I_{(LIM)})	5A
负载电容 (C_{(OUT)})	100μF
最大环境温度 (T_{A})	85°C

5.2 详细设计步骤

5.2.1 编程电流限制阈值

通过 (R{(ILIM)}) 电阻设置过载电流限制，计算公式为： [ R{(LIM)}=frac{89}{I{(LIM)}} ] 对于 (I{(LIM)} = 5A) ，计算得到 (R_{(ILIM)} = 17.8kΩ) ，选择最接近的1%标准值电阻。

5.2.2 欠压锁定和过压设定点

通过外部电阻分压器 (R{1}) 、 (R{2}) 和 (R{3}) 调整欠压锁定和过压跳闸点，计算公式如下： [ V{(O V P R)}=frac{R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V{(O V)} ] [ V{(E N R)}=frac{R{2}+R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V{(U V)} ] 为了减少从电源吸取的输入电流，建议使用较高阻值的电阻，但需要考虑外部有源组件的泄漏电流对计算结果的影响。

5.2.3 编程电流监测电阻 (R_{(IMON)})

根据ADC的最大输入电压范围配置 (R{(IMON)}) ，计算公式为： [ R{(IMON )}=frac{V{(IMONmax) }}{I{(LIM)} × 52 × 10^{-6}} ] 对于 (I{(LIM)} = 5A) 和 (V{(IMONmax)} = 5V) ，计算得到 (R_{(IMON)} = 19.23kΩ) ，选择最接近的1%标准值电阻。

5.2.4 设置输出电压上升时间 (t_{dVdT})

为了确保器件在动态（启动）和稳态条件下的结温都低于绝对最大额定值，需要根据不同情况计算所需的上升电容 (C_{(dVdT)}) 。

• 启动无负载情况：仅输出电容 (C{(OUT)}) 在启动时吸取电流，浪涌电流 (I{(INRUSH)}) 和启动时的功耗 (P{D(INRUSH)}) 可通过以下公式计算： [ I{(INRUSH)}=C{(OUT) } × frac{V{(IN)}}{t{d V d T}} ] [ P{D(INRUSH)} = 0.5 × V{(IN)} × I{(INRUSH)} ]
• 启动有负载情况：输出电容 (C{(OUT)}) 和负载在启动时都吸取电流，需要考虑负载电流对功耗的影响。额外的功耗 (P{D(LOAD)}) 可通过以下公式计算： [ P{D(L O A D)}=left(frac{1}{6}right) × frac{V^{2}(I N)}{R{L(S U)}} ] 总启动功耗 (P{D(STARTUP)}) 为 (P{D(INRUSH)}) 和 (P_{D(LOAD)}) 之和。

5.2.5 编程电源良好设定点

通过 (R{4}) 和 (R{5}) 设置PGOOD信号的所需限制，计算公式为： [ V{(P G T H)}=0.99 timesleft(1+frac{R{4}}{R_{5}}right) ] 建议使用较高阻值的电阻，以减少从输出节点吸取的电流。

5.2.6 支持组件选择

(R{6}) 和 (R{7}) 是PGOOD和FLT引脚的上拉电阻，每个引脚的吸收电流不得超过10mA。 (C_{IN}) 是旁路电容，用于控制瞬态电压、单元发射和局部电源噪声，建议取值范围为0.001μF至0.1μF。

六、电源供应建议

6.1 电源范围

TPS25940xx-Q1的设计电源电压范围为2.7V至18V。如果输入电源与器件的距离超过几英寸，建议使用大于0.1μF的输入陶瓷旁路电容。电源的额定电流应高于设定的电流限制，以避免在过流和短路情况下出现电压下降。

6.2 瞬态保护

在短路和过载电流限制情况下，器件中断电流流动时，输入电感会在输入产生正电压尖峰，输出电感会在输出产生负电压尖峰。为了防止这些瞬态电压超过器件的绝对最大额定值，可以采取以下措施：

• 尽量减小器件输入和输出的引线长度和电感。
• 使用大面积的PCB GND平面。
• 在输出和地之间连接18V TVS以吸收正尖峰，在输出两端连接肖特基二极管以吸收负尖峰。
• 使用低值陶瓷电容（ (C_{(IN)} = 0.001) μF至0.1μF）吸收能量并抑制瞬态。

七、布局指南

7.1 去耦电容

在IN引脚和GND之间建议使用0.1μF或更大的陶瓷去耦电容，对于热插拔应用，如果输入电源路径电感可忽略不计，则可以减少或消除该电容。去耦电容应尽可能靠近器件的IN和GND引脚，以减小旁路电容连接、IN引脚和IC的GND引脚形成的环路面积。

7.2 功率路径连接

高电流承载的功率路径连接应尽可能短，并应能够承载至少两倍的满载电流。

7.3 信号接地

低电流信号接地（SGND）应是一个铜平面或岛屿，作为器件的参考接地。

7.4 支持组件布局

所有TPS25940xx-Q1的支持组件（如 (R{(ILIM)}) 、 (C{dVdT}) 、 (R_{(IMON)}) 以及用于UVLO和OVP的电阻）应靠近其连接引脚布局，并将组件的另一端以最短的走线连接到SGND。

7.5 走线路由

(R{(ILIM)}) 和 (R{(IMON)}) 组件到器件的走线应尽可能短，以减少对电流限制和电流监测精度的寄生影响。这些走线不应与板上的开关信号耦合。

7.6 保护器件布局

保护器件（如TVS、缓冲器、电容或二极管）应物理上靠近它们要保护的器件，并使用短走线路由以减少电感。

7.7 热考虑

PowerPAD™封装在正确安装时提供比普通封装更大的散热能力。为了在额定功率下运行，PowerPAD必须直接焊接到器件下方的电路板GND平面，并可以使用多个过孔连接到内层GND。在高电流应用中，可以使用其他平面（如电路板的底面）来增加散热。

八、总结

TPS25940xx-Q1 eFuse是一款功能强大、性能可靠的电源管理器件，适用于多种汽车和工业应用。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其优势，为系统提供高效、稳定的电源保护。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求和应用场景，仔细选择组件参数，优化电路设计，以确保系统的性能和可靠性。你在使用TPS25940xx-Q1的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。