TPS25925x/6x eFuse保护开关：设计与应用全解析

在电子设备的设计中，电路保护和电源管理是至关重要的环节。德州仪器（TI）的TPS25925x/6x系列eFuse保护开关，为我们提供了一种高度集成的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款产品的特点、应用以及设计要点。

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一、产品概述

TPS25925x/6x系列包括TPS259250、TPS259251、TPS259260和TPS259261等型号。其中，TPS25926x适用于12V系统，而TPS25925x则针对5V系统。该系列产品具有以下显著特点：

1. 集成MOSFET：内置30mΩ的导通电阻，有效降低功耗。
2. 过压保护：提供固定的过压钳位功能，TPS25925x为6.1V，TPS25926x为15V。
3. 可调电流限制：可在2A至5A之间进行调节，精度为±15%。
4. 可编程输出压摆率：通过dV/dT引脚，可使用单个电容来控制输出电压的上升速率。
5. 热关断保护：内置热传感器，当温度超过150°C时，自动关闭内部MOSFET。
6. 安全认证：获得UL 2367认证，在单点故障测试（UL60950）中表现安全。
7. 小尺寸封装：采用10引脚的VSON封装，尺寸仅为3mm x 3mm。

二、应用场景

TPS25925x/6x系列适用于多种应用场景，包括但不限于：

1. 硬盘驱动器（HDD）和固态硬盘（SSD）：保护驱动器免受电压和电流波动的影响。
2. 机顶盒：确保稳定的电源供应，提高设备的可靠性。
3. 服务器和辅助电源：为服务器提供可靠的电源保护。
4. PCI和PCIe卡：保护高速数据传输卡免受电源故障的影响。
5. 适配器供电设备：为各种适配器供电设备提供过流和过压保护。

三、详细特性分析

3.1 引脚功能

引脚编号	引脚名称	类型	描述
1	dV/dT	O	连接电容到GND，控制输出电压的上升速率
2	EN/UVLO	I	控制内部MOSFET的开关状态，同时可用于设置欠压锁定（UVLO）阈值
3 - 5	VIN	I	输入电源电压
6 - 8	OUT	O	设备的输出
9	NC	NC	内部未连接，可悬空或接地
10	ILIM	O	通过连接到GND的电阻设置过载和短路电流限制

3.2 电气特性

3.2.1 输入电源

• 欠压锁定（UVLO）阈值：上升阈值为4.15 - 4.45V，具有5%的滞后。
• 电源电流：启用时，TPS25926x为0.3 - 0.55mA，TPS25925x为0.35 - 0.6mA；关闭时为0.13 - 0.225mA。
• 过压钳位：TPS25926x为13.8 - 16.5V，TPS25925x为5.25 - 6.75V。

3.2.2 使能/欠压锁定输入

• 使能阈值电压：上升阈值为1.37 - 1.44V，下降阈值为1.32 - 1.39V。
• 输入泄漏电流：在0 - 5V范围内为 -100 - 100nA。

3.2.3 输出压摆率控制

• 充电电流：典型值为220nA。
• 放电电阻：EN/UVLO = 0V时为50 - 100Ω。
• 最大电容电压：5.5V。
• 增益：dV/dT到OUT的增益为4.85V/V。

3.2.4 电流限制编程

• 偏置电流：典型值为10μA。
• 过载电流限制：可通过ILIM引脚的电阻进行设置，不同电阻值对应不同的电流限制。
• 短路电流限制：在不同条件下有相应的限制值。

3.2.5 输出

• 导通延迟：典型值为220μs。
• FET导通电阻：25°C时为21 - 39mΩ，125°C时为40 - 50mΩ。
• 关断状态下的输出偏置电流：源电流为 -5 - 1.2μA，吸收电流为10 - 20μA。

3.2.6 热关断

• 热关断阈值：上升阈值为150°C，具有10°C的滞后。
• 热故障响应：TPS259250/60为锁存模式，TPS259251/61为自动重试模式。

3.3 工作模式

TPS25925x/6x的工作模式主要包括启动、正常运行和故障保护三个阶段。

1. 启动阶段：当VIN超过欠压锁定阈值（VUVR）时，设备检测EN/UVLO引脚。如果该引脚为高电平，内部MOSFET导通，电流从VIN流向OUT。用户可以通过在dV/dT引脚和GND之间连接电容来调整输出电压的上升时间。
2. 正常运行阶段：设备持续监测负载电流和输入电压，确保不超过可调的过载电流限制IOL，并将输入电压尖峰安全地钳位到VOVC水平。
3. 故障保护阶段：当设备温度超过热关断阈值（TSHDN）时，内部MOSFET关闭，断开负载与电源的连接。TPS259250/60在故障排除前保持输出断开，而TPS259251/61在温度下降到TSHDN - 10°C后开始自动重试。

四、应用设计

4.1 典型应用电路

典型应用电路中，需要注意以下几点：

• 输入电容CIN：可选，推荐值为0.1μF，用于抑制PCB布线电感或输入布线引起的瞬态。
• 电阻RILIM：用于设置过载电流限制，计算公式为 (R_{ILIM}=frac{ILIM - 0.7}{3 × 10^{-5}})。
• 电阻R1和R2：用于设置欠压锁定阈值，计算公式为 (V{(UV)}=frac{R{1}+R{2}}{R{2}} × V_{ENR})。
• 电容CdVdT：用于控制输出电压的上升速率，计算公式为 (frac{dV{OUT}}{dt}=frac{I{dVdT} × GAIN{dVdT}}{C{dVdT}+C_{INT}})。

4.2 设计步骤

4.2.1 编程电流限制阈值

根据所需的过载电流限制ILIM，计算并选择合适的RILIM电阻。例如，当ILIM = 3.7A时，RILIM = 100kΩ。

4.2.2 设置欠压锁定阈值

通过外部电阻分压器R1和R2来调整欠压锁定阈值。对于默认的UVLO阈值VUVR = 4.3V，可选择R2 = OPEN，R1 = 1MΩ。

4.2.3 设置输出电压上升时间

考虑两种情况：

• 启动无负载：仅输出电容Cout在启动时充电，计算启动时的平均功耗 (P{D(INRUSH)}=0.5 × V{(IN)} × I{(INRUSH)})，其中 (I{(INRUSH)}=C{(OUT)} × frac{V{(IN)}}{T_{dVdT}})。
• 启动有负载：输出电容Cout和负载在启动时都消耗电流，计算总功耗 (P{D(STARTUP)}=P{D(INRUSH)}+P{D(LOAD)})，其中 (P{D(LOAD)}=left(frac{1}{6}right) × frac{V^{2}(N)}{R_{L(SU)}})。

4.2.4 选择支持组件

• CIN：旁路电容，推荐值为0.001 - 0.1μF，用于控制瞬态电压、单位发射和局部电源噪声。

五、布局注意事项

5.1 布局指南

• 去耦电容：在IN和GND之间推荐使用0.01μF或更大的陶瓷去耦电容，对于热插拔应用，可根据情况减少或消除该电容。
• 高电流路径：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。
• 接地：GND引脚应连接到PCB的接地平面，PCB接地应为铜平面或岛。
• 支持组件：RILIM、CdVdT和ENUV的电阻应靠近其连接引脚，并以最短的走线连接到GND引脚。
• 保护器件：保护器件（如TVS、电容、二极管等）应靠近被保护的设备，并使用短走线以减少电感。

5.2 布局示例

提供了一个PCB布局示例，展示了如何合理安排各个组件的位置，以确保良好的性能。

六、总结

TPS25925x/6x系列eFuse保护开关是一款功能强大、集成度高的电路保护和电源管理解决方案。它具有多种保护功能、可调的电流限制和输出压摆率，适用于多种应用场景。在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择组件参数，并注意布局和布线，以确保设备的可靠性和稳定性。你在实际应用中是否遇到过类似产品的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。