深入剖析 TPS2662x 60-V, 800-mA 工业 eFuse：特性、应用与设计指南

引言

在工业电子设计领域，电源保护至关重要。一款性能卓越的电子保险丝（eFuse）能够为电路提供可靠的过流、过压和反极性保护，确保系统稳定运行。今天，我们就来详细探讨德州仪器（TI）推出的 TPS2662x 系列工业 eFuse，了解其特性、应用场景以及设计要点。

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一、产品概述

TPS2662x 是一系列紧凑、功能丰富的高压 eFuse，具有全面的保护功能。其宽电源输入范围为 4.5 V 至 60 V，可适应多种常见的直流母线电压。该器件能够承受高达 ±60 V 的正负极性电源电压，为负载提供可靠保护。此外，TPS2662x 还集成了背靠背 MOSFET 以及输入和输出反极性保护功能，适用于对输出电压保持有要求的系统。

产品特性

1. 宽电压范围：工作电压范围为 4.5 V 至 60 V，绝对最大电压可达 62 V，集成反向输入极性保护至 -60 V，部分型号（TPS26624 和 TPS26625）还集成了反向输出极性保护至 - (60 - VIN)。
2. 低导通电阻：集成背靠背 MOSFET，总导通电阻（RON）为 478 mΩ，可有效降低功耗。
3. 可调电流限制：电流限制范围为 25 mA 至 880 mA，精度为 ±5%（在 880 mA 时），可根据实际应用需求进行灵活调整。
4. 浪涌保护：在浪涌（IEC 61000 - 4 - 5）情况下，只需最少的外部组件即可实现负载保护。
5. 快速响应：具有快速反向电流阻断响应（0.3 μs）和快速短路保护（典型值 220 ns），能够迅速隔离故障负载。
6. 可调保护功能：可调节欠压锁定（UVLO）、过压保护（OVP）阈值和输出压摆率控制，以限制浪涌电流。
7. 低静态电流：工作时静态电流为 340 μA，关断时为 12 μA，有助于降低系统功耗。
8. 小封装尺寸：采用 10L（3 mm × 3 mm）VSON 封装，节省 PCB 空间。
9. 安全认证：获得 UL 2367 认证和 IEC 62368 - 1 认证，符合相关安全标准。

二、应用场景

TPS2662x 系列 eFuse 适用于多种工业应用，为系统提供可靠的电源保护。以下是一些典型的应用场景：

1. PLC I/O 模块：保护模块免受电源故障和反极性连接的影响，确保模块稳定运行。
2. AC 和伺服驱动器：防止过流和过压损坏驱动器，提高系统的可靠性。
3. 传感器和控制设备：为传感器和控制电路提供保护，确保测量和控制的准确性。
4. 温控器：在智能温控器中，可实现电源管理和保护，简化设计。
5. PoE 高端保护：保护以太网供电设备免受电源故障的影响。

三、产品详细分析

3.1 器件比较

TPS2662x 系列包含多个型号，不同型号在过压保护、过载和热故障响应以及反极性保护等方面存在差异。以下是各型号的详细比较：	型号	过压保护	过载和热故障响应	反极性保护
TPS26620	过压切断，可调节	锁定	输入侧
TPS26621	过压切断，可调节	自动重试	输入侧
TPS26622	固定 38 V 过压钳位	锁定	输入侧
TPS26623	固定 38 V 过压钳位	自动重试	输入侧
TPS26624	过压切断，可调节	锁定	输入和输出侧
TPS26625	过压切断，可调节	自动重试	输入和输出侧

3.2 引脚配置与功能

TPS2662x 采用 10 引脚 VSON 封装，各引脚功能如下：	引脚编号	引脚名称	类型	描述
1	IN	电源	输入电源电压
2	UVLO	输入	电阻可编程欠压锁定阈值设置输入
3	OVP	输入	电阻可编程过压保护阈值
4	SHDN	输入	关断引脚，拉低可使器件进入低功耗关断模式
5	RTN	-	所有内部电压的参考地
6	GND	-	系统地
7	ILIM	输入/输出	通过连接到 RTN 的电阻设置过载和短路电流限制
8	dVdT	输入/输出	通过连接到 RTN 的电容设置输出电压压摆率
9	FLT	输出	故障事件指示器，开漏输出
10	OUT	电源	输出电压
-	PowerPAD™	-	连接到 RTN 平面用于散热

3.3 电气特性

TPS2662x 的电气特性涵盖了多个方面，包括电源电压、欠压锁定、过压保护、电流限制等。以下是一些关键电气特性的介绍：

1. 电源电压：工作输入电压范围为 4.5 V 至 60 V，内部上电复位（POR）阈值上升为 3.54 V 至 4.2 V，POR 迟滞为 110 mV。
2. 欠压锁定（UVLO）：UVLO 阈值电压上升为 1.18 V 至 1.23 V，下降为 1.09 V 至 1.135 V，输入泄漏电流在 0 V 至 3.5 V 时为 -100 nA 至 100 nA，在 5 V 时为 18.8 μA 至 38 μA。
3. 过压保护（OVP）：OVP 阈值电压上升为 1.18 V 至 1.23 V，下降为 1.09 V 至 1.135 V，输入泄漏电流在 0 V 至 5 V 时为 -100 nA 至 100 nA。
4. 电流限制：通过连接到 ILIM 引脚的电阻可设置过载和短路电流限制，不同电阻值对应不同的电流限制值。例如，当 R(ILIM) = 7.5 kΩ 时，过载电流限制为 0.83 A 至 0.91 A。

3.4 功能特性

3.4.1 欠压锁定（UVLO）

当 UVLO 引脚电压在输入电源故障或欠压故障时低于 V(UVLOF)，内部 FET 迅速关断，同时 FLT 引脚置位。UVLO 比较器具有 100 mV 的迟滞。若不需要欠压锁定功能，需将 UVLO 引脚通过 1 MΩ 电阻连接到 IN 引脚，以限制引脚电流小于 60 μA。

3.4.2 过压保护（OVP）

TPS26620、TPS26621、TPS26624 和 TPS26625 具有过压切断功能，当 OVP 引脚电压超过 V(OVPR) 时，内部 FET 关断，保护下游负载。TPS26622 和 TPS26623 具有内部固定的 38 V 过压钳位功能，当输入电压超过 38 V 时，输出电压被钳位在 Vovc。

3.4.3 热插拔和浪涌电流控制

通过连接到 dVdT 引脚的外部电容可控制输出电压的压摆率，从而限制热插拔时的浪涌电流。当 dVdT 引脚悬空时，器件设置内部输出电压压摆率为 24 V / 660 μs；连接电容可使压摆率变慢。

3.4.4 反极性保护

• 输入侧反极性保护：TPS2662x 集成了输入侧反极性保护功能，在输入反极性事件发生时，内部 FET 关断，保护下游负载免受负电源电压的影响。
• 输出侧反极性保护：TPS26624 和 TPS26625 还集成了输出侧反极性保护功能，在输出反极性事件发生时，保护上游电路免受负电压的影响。

  3.4.5 过载和短路保护

• 过载保护：通过连接到 ILIM 引脚的电阻可设置过载电流限制 I(OL)。在过载情况下，器件将电流调节在 I(OL) 并持续最长时间 tCL(dly)。超过该时间或达到热关断阈值后，内部 FET 关断。部分型号（TPS26620、TPS26622 和 TPS26624）锁定，需通过 SHDN 或 UVLO 复位；部分型号（TPS26621、TPS26623 和 TPS26625）在 512 ms 后自动重试。
• 短路保护：在输出短路事件发生时，快速跳闸比较器（Fast - Trip Comparator）可在 220 ns（典型值）内关断内部 FET，随后器件缓慢开启，由电流限制环路将输出电流调节到 I(OL)。

  3.4.6 反向电流保护

  器件监测 V(IN) 和 V(OUT)，当 V(IN) - V(OUT) 低于 -2.6 V 时，反向比较器在 63 μs（典型值）内开启，控制内部 FET 关断，实现反向电流保护。

  3.4.7 热关断

  当结温超过 T(TSD) 时，器件的热关断电路将保护内部 FET。热关断事件发生后，根据故障响应模式，器件要么锁定，要么在 T(J) < (T(TSD) - 13.5°C) 后 512 ms 开始自动重试。

四、应用与设计实例

4.1 典型应用电路

以 24 - V、500 - mA eFuse 输入保护电路为例，为 PLC I/O 模块提供电源保护。该电路的设计要求如下：	设计参数	示例值
V(IN)	24 V
V(UV)	18 V
V(OV)	30 V
T(SU)	96 Ω
I(LIM)	500 mA
C(OUT)	22 μF
TA	125°C

4.2 详细设计步骤

4.2.1 电流限制阈值编程

通过连接到 ILIM 引脚的电阻 R(ILIM) 设置过载电流限制。根据公式 (R{ILIM}=frac{6.636}{I{LIM}})，当 (I{LIM}=500 mA) 时，(R{ILIM}=13.27 kΩ)，选择最接近的标准 1% 电阻值 (R_{ILIM}=13.3 kΩ)。

4.2.2 欠压锁定和过压设定点

使用连接在 IN、UVLO、OVP 和 RTN 引脚之间的外部电阻分压器网络 (R{1})、(R{2}) 和 (R{3}) 调整欠压锁定（UVLO）和过压跳闸点。根据公式 (V(OVPR)=frac{R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V(OV)) 和 (V(UVLOR)=frac{R{2}+R{3}}{R{1}+R{2}+R{3}} × V(UV))，结合器件电气规格和设计要求，选择合适的电阻值。最终选择 (R{1}=715 kΩ)、(R{2}=20 kΩ) 和 (R_{3}=30.1 kΩ)。

4.2.3 输出电压上升时间设置

为确保器件在动态（启动）和稳态条件下的结温低于绝对最大额定值，需要确定合适的启动时间和浪涌电流限制。考虑两种情况：

• 无负载启动：仅输出电容 (C_{(OUT)}) 在启动时充电，根据公式 (I = C × frac{dV}{dT}) 和 (PD(INRUSH)=0.5 × V(IN) × I(NRUSH)) 计算浪涌电流和平均功耗。
• 有负载启动：输出电容 (C{(OUT)}) 和负载在启动时都消耗电流，根据公式 (PD(LOAD)=frac{1}{6} × frac{V(IN)^{2}}{RL(SU)}) 和 (PD(STARTUP) = PD(INRUSH) + PD(LOAD)) 计算总功耗。 选择浪涌电流 (I{(INRUSH)} = 0.1 A)，计算得到 (t{dVdT}=5.28 ms)，根据公式 (t{dVdT}=20.5 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)}) 计算得到 (C_{(dVdT)} = 10.7 nF)，选择最接近的标准值 10.0 nF 且耐压 16 V 的电容。

  4.2.4 支持组件选择

• (R_{FLT}) 电阻：作为开漏故障输出的上拉电阻，推荐阻值范围为 10 kΩ 至 100 kΩ。
• (C_{(IN)}) 电容：作为局部旁路电容，抑制输入噪声，推荐电容值范围为 0.1 μF 至 1 μF。

五、电源供应建议与布局注意事项

5.1 电源供应建议

TPS2662x eFuse 的电源电压范围为 4.5 V 至 60 V。如果输入电源与器件距离较远，建议使用大于 0.1 μF 的输入陶瓷旁路电容。电源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。

5.2 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。为解决这些瞬态问题，可采取以下措施：

• 尽量减小器件输入和输出的引线长度和电感。
• 使用大面积 PCB 接地平面。
• 在 TPS26620、TPS26621、TPS26622、TPS26623 设计中，使用肖特基二极管跨接在输出和地之间吸收负尖峰；在 TPS26624 和 TPS26625 设计中，使用 TVS 钳位。
• 使用低阻值陶瓷电容 (C_{(IN)})（约 0.1 μF）吸收能量，抑制瞬态。

  5.3 布局指南

• 在 IN 端子和 GND 之间使用 0.1 μF 或更高值的陶瓷去耦电容，且放置位置应尽可能靠近器件的 IN 和 GND 端子，以减小旁路电容连接、IN 端子和 IC 的 GND 端子形成的环路面积。
• 高电流承载功率路径连接应尽可能短，且尺寸应能承载至少两倍的满负载电流。
• RTN 作为器件的参考地，应为铜平面或岛。
• 将 TPS2662x 系列的支持组件（(R{(ILIM)})、(C{(dVdT)})、UVLO 和 OVP 电阻）放置在靠近其连接引脚的位置，并将组件的另一端以最短的走线长度连接到 RTN。
• (R_{ILIM}) 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效应，且这些走线不应与板上的开关信号耦合。
• 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。
• 对于热考虑，PowerPAD 封装在正确安装时可提供显著的散热能力。为使器件在额定功率下运行，PowerPAD 必须直接焊接到器件正下方的电路板 RTN 平面。在不需要输入反极性保护的设计中，可将 RTN、GND 和 PowerPAD 连接在一起，PowerPAD 可连接到 PCB 接地平面。

六、总结

TPS2662x 系列工业 eFuse 凭借其丰富的功能和出色的性能，为