深入解析TPS25921x eFuse：功能、应用与设计要点

在电子设计领域，电源保护和管理至关重要。TPS25921x系列eFuse作为一款功能强大的电源保护器件，广泛应用于各种电子设备中。本文将深入探讨TPS25921x的特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

文件下载：tps25921a.pdf

一、TPS25921x概述

TPS25921x是德州仪器（TI）推出的一款紧凑型、功能丰富的eFuse，具有一系列全面的保护功能。它的工作电压范围为4.5V - 18V，最大可达20V，典型导通电阻 (R_{DS(ON)}) 为90mΩ。该器件提供了精确的电流限制（0.4A - 1.6A可调，在1A、25°C时精度为±2%）、过压和欠压保护（阈值精度为±3%），还具备可编程的输出电压上升速率控制、故障输出等特性，适用于多种系统保护应用。

1.1 主要特性

• 宽工作电压范围：4.5V - 18V的工作电压范围，可适应多种常见的直流母线，最大耐压20V，为设计提供了更大的灵活性。
• 精确的电流限制：±2%的电流限制精度，在室温下能提供出色的准确性，有助于优化输入电源的设计，减少过设计。
• 过压和欠压保护：±3%的过压和欠压阈值精度，确保对母线电压的严格监控，无需额外的电压监控芯片。
• 可编程输出上升速率：通过软启动（SS）引脚外接电容，可实现可编程的输出电压上升速率控制，有效控制浪涌电流，减少对系统的冲击。
• 故障输出：提供故障标志输出（FLT），用于系统状态监控和下游负载控制，可指示欠压、过压和热关断等故障情况。
• 温度范围广：结温范围为 -40°C至125°C，能适应不同的工作环境。
• 多种工作模式：提供自动重试和锁存关断两种版本，满足不同应用场景的需求。
• 安全认证：获得UL2367认证（文件编号E169910），并通过UL60950单点故障安全测试。

1.2 应用场景

TPS25921x适用于多种应用领域，包括：

• 白色家电和电器：为家电设备提供电源保护，确保设备的稳定运行。
• 机顶盒、DVD和游戏机：保护设备免受电源故障的影响，提高设备的可靠性。
• 硬盘和固态硬盘：防止过流和过压对存储设备造成损坏。
• 智能电表和气体分析仪：在工业和能源领域，保障设备的安全和准确运行。
• 智能负载开关和USB开关：实现对负载的灵活控制和保护。
• 适配器电源设备：为电源适配器提供过流和过压保护。

二、引脚配置与功能

TPS25921x采用8引脚SOIC封装，各引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	功能描述
GND	1	接地引脚
SS	2	通过连接到GND的电容设置设备开启时输出电压的上升速率
ENUV	3	用于设置可编程欠压锁定阈值，欠压事件会打开内部FET并使FLT引脚拉低以指示电源故障；在TPS25921L中，拉低该引脚可重置热故障锁存
IN	4	电源输入引脚，为设备提供电源电压
OUT	5	电源输出引脚
FLT	6	故障事件指示器，低电平有效，指示欠压、过压和热关断等故障情况，为开漏输出
ILIM	7	通过连接到GND的电阻设置过载和短路电流限制
OVP	8	用于设置可编程过压保护阈值，过压事件会打开内部FET并使FLT引脚拉低以指示过压

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

• 输入电压范围：IN、OUT、ENUV、OVP、FLT引脚的电压范围为 -0.3V至20V，IN引脚在10ms瞬态情况下可达22V。
• ILIM和SS引脚电压： -0.3V至7V。
• SS引脚灌电流：最大5mA。
• FLT引脚灌电流：最大100mA。
• 最大结温：内部限制。
• 存储温度范围： -65°C至150°C。

3.2 ESD额定值

• 人体模型（HBM）：±2000V。
• 带电器件模型（CDM）：±500V。

3.3 推荐工作条件

• 输入电压范围：IN引脚为4.5V - 18V，OUT、OVP、ENUV、FLT引脚为0V - 18V，SS引脚为0V - 6V，ILIM引脚为0V - 3.3V。
• 电阻：ILIM引脚外接电阻范围为35.7kΩ - 158kΩ。
• 外部电容：OUT引脚外接电容范围为0.1μF - 1μF，SS引脚外接电容范围为1nF - 1000nF。
• 工作结温范围： -40°C - 125°C。

3.4 电气特性

TPS25921x的电气特性包括电源电压、欠压锁定、过压保护、使能和欠压锁定、软启动、电流限制编程、MOSFET功率开关、输出偏置电流和故障标志等方面的参数。例如，在典型工作条件下，工作输入电压范围为4.5V - 18V，欠压锁定阈值上升为4.10V - 4.40V，过压保护阈值上升为1.35V - 1.43V等。

3.5 时序要求

TPS25921x的时序要求涉及使能和欠压锁定、过压保护、软启动、电流限制编程和热关断等方面的延迟时间。例如，使能延迟时间tON(dly)在不同条件下有所不同，当C(SS) = OPEN时，ENUV上升到V(OUT) = 1V的延迟时间为96μs；当C(SS) > 0.39nF时，延迟时间为14.5 + 0.5 x (70p + C(SS)) μs。

四、详细功能描述

4.1 使能和欠压锁定（UVLO）

ENUV引脚控制内部FET的开关状态。当该引脚电压 (V{(ENUV)} < V{(ENF)}) 时，内部FET关闭，断开IN和OUT之间的连接。通过外部电阻分压器可对欠压锁定阈值进行编程。此外，当检测到欠压或输入电源故障时，内部FET迅速关闭，FLT引脚拉低以指示故障。

4.2 过压保护（OVP）

TPS25921x通过连接在电源和OVP引脚之间的电阻分压器来设置过压阈值。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。

4.3 热插拔和浪涌电流控制

该器件专为控制热插拔时的浪涌电流而设计，可限制背板电源电压的下降，防止系统电源意外复位。通过在SS引脚连接外部电容，可定义电源开启时输出电压的上升速率。输出电压上升速率的计算公式为： [ frac{dV{(OUT)}}{dt} = frac{I{(SS)}}{C{(SS)} + C{(INT)}} times GAIN{(SS)} ] 其中， (I{(SS)}) 为SS引脚充电电流（典型值为1μA）， (GAIN_{(SS)}) 为SS到OUT的增益（典型值为4.85）。

4.4 过载和短路保护

TPS25921x通过监测内部感测电阻上的电压来监控负载电流。在过载事件中，电流被限制在由 (R{(ILIM)}) 电阻编程的电流限制值 (I{LIMIT}) 。该器件具有两个不同的过流保护级别：电流限制 (I{LIMIT}) 和快速跳闸阈值 (I{(FASTRIP)}) 。当电流超过 (I_{(FASTRIP)}) 时，快速跳闸比较器在3μs内关闭通过器件，终止快速短路峰值电流。

4.5 故障响应

FLT引脚为开漏输出，在欠压、过压和热关断等故障条件下拉低，指示故障状态。故障信号将保持有效，直到故障条件消除，设备恢复正常运行。在热关断时，TPS25921L版本保持锁存关闭，而TPS25921A版本在结温 (T{J} < [T{(TSD)} - 20^{circ}C]) 后 (t_{TSD(dly)}) 毫秒开始自动重试。

4.6 热关断

当结温 (T{J} > 155^{circ}C) （典型值）时，内部过热关断功能将禁用/关闭FET。TPS25921L版本将内部FET锁存关闭，而TPS25921A版本在结温下降到 (T{J} < [T{(TSD)} - 20^{circ}C]) 后 (t{TSD(dly)}) 毫秒开始自动重试。在热关断期间，故障引脚FLT拉低以指示故障。

五、应用与设计实例

5.1 典型应用：白色家电的精密电流限制和保护

以白色家电应用为例，TPS25921x可用于提供精密的电流限制和保护。设计参数如下：

• 输入电压范围：12V
• 欠压锁定设定点：8V
• 过压保护设定点：17V
• 启动时负载：24Ω
• 电流限制：1A
• 负载电容：100μF
• 最大环境温度：85°C

5.1.1 设计步骤

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{(ILIM)} = frac{I_{LIMIT} + 0.018}{10.73 times 10^{-3}}) ，选择最接近的标准值95.3kΩ。
2. 设置欠压锁定和过压设定点：使用外部电阻分压器 (R{1}) 、 (R{2}) 和 (R{3}) 调整欠压锁定和过压跳闸点。根据设计要求和器件规格，计算得出 (R{1} = 470kΩ) 、 (R{2} = 53kΩ) 、 (R{3} = 47kΩ) 。
3. 设置输出电压上升时间（tSS）：考虑启动时有无负载的两种情况，计算所需的上升电容 (C{(SS)}) 。在无负载启动时，根据公式 (t{SS} = 20.6 times 10^{4} times V{(IN)} times (C{(SS)} + 70pF)) 计算上升时间；在有负载启动时，还需考虑负载电流对功率损耗的影响。选择 (C_{(SS)} = 1nF) 时，计算得出启动时的浪涌电流和功率损耗，并根据热关断极限图验证是否满足要求。
4. 支持组件选择： (R{4}) 作为FLT引脚的上拉电阻，电流不应超过100mA； (C{IN}) 为旁路电容，推荐值为0.001μF - 0.1μF，用于控制瞬态电压、单位发射和局部电源噪声。

5.2 其他系统应用

• 初级侧调节电源的保护和电流限制：TPS25921x可用于初级侧调节电源和适配器，提供精确的输出电流限制和二次侧保护，解决传统电源在短路、过压和过载瞬态等方面的问题。
• 本安应用中的精密电流限制：在本安应用中，如气体分析仪、医疗设备等，TPS25921x可用于精确限制电流和在过压条件下精确关闭电路，确保设备在危险环境中的安全运行。
• 智能负载开关：TPS25921x可作为智能负载开关，用于4.5V - 18V的应用，提供可编程软启动、可编程电流限制、过温保护、故障标志和欠压锁定等功能。

六、布局和电源建议

6.1 布局指南

• 去耦电容：在IN和GND引脚之间推荐使用0.01μF或更大的陶瓷去耦电容，对于热插拔应用，若输入电源路径电感可忽略不计，可减少或消除该电容。
• 布线：高电流功率路径连接应尽可能短，并能承受至少两倍的满载电流。GND引脚应连接到PCB接地平面。所有支持组件（如 (R{(ILIM)}) 、 (C{SS}) 等）应靠近其连接引脚，减少寄生效应。OVP和ENUV信号迹线应与FLT信号迹线保持足够的间距，避免故障时的杂散耦合。
• 保护器件：保护器件（如TVS、电容、二极管等）应靠近被保护的器件放置，并使用短迹线布线，以减少电感。

6.2 电源建议

• 输入电容：若输入电源与器件距离超过几英寸，建议使用大于0.1μF的输入陶瓷旁路电容。
• 电源额定值：电源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。
• 瞬态保护：为防止短路和过载时的电压尖峰，可采取减少引线长度和电感、使用大PCB接地平面、在输出端跨接肖特基二极管、使用低值陶瓷电容等措施。必要时，可添加瞬态电压抑制器（TVS）。

七、总结

TPS25921x eFuse是一款功能强大、性能可靠的电源保护器件，具有精确的电流限制、过压和欠压保护、可编程输出上升速率等特性，适用于多种应用场景。在设计应用中，需要根据具体需求选择合适的参数和组件，并遵循布局和电源建议，以确保设备的稳定运行和可靠性。通过本文的介绍，相信工程师们对TPS25921x有了更深入的了解，能够更好地应用该器件进行电子设计。你在使用TPS25921x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。