深度剖析 TPS25940x eFuse：高效、可靠的电源管理解决方案

在电子设备的电源管理领域，一款性能卓越的 eFuse 器件对于保障系统稳定运行至关重要。TPS25940x 作为一款备受关注的 eFuse 产品，具备众多出色特性，适用于多种应用场景。本文将深入剖析 TPS25940x 的各项特性、应用及设计要点，为电子工程师们提供全面的参考。

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一、产品概述

TPS25940x 是德州仪器（TI）推出的一款 2.7 - 18V eFuse，具有真正的反向阻断功能和 DevSleep 支持，专为固态硬盘（SSD）等设备设计。它集成了背靠背 FET 和增强的内置保护电路，能为 2.7V 至 18V 供电的系统和应用提供强大保护。

1.1 产品特性

• 宽电压范围：工作电压范围为 2.7V - 18V，最大承受电压可达 20V，典型导通电阻 (R_{ON}) 为 42mΩ，能适应多种电源环境。
• 可调电流限制：电流限制可在 0.6A 至 5.3A 之间调节，精度为 ±8%，可根据不同应用需求灵活设置。
• 低功耗模式：具有 DevSleep 模式，典型静态电流 (I{0}) 低至 95μA，关闭状态下典型 (I{0}) 为 15μA，有效降低功耗。
• 反向电流阻断：能在 1μs 内实现反向电压关断，防止反向电流对系统造成损害。
• 可编程 (dV_{o} /dt) 控制：通过外部电容可设置输出电压的上升速率，有效控制浪涌电流。
• 状态监测与保护输出：提供 Power Good 和 Fault 输出，方便系统监测和控制。
• 宽温度范围：结温范围为 -40°C 至 125°C，能适应恶劣的工作环境。
• 安全认证：获得 UL 2367 认证，符合 UL60950 单点故障安全测试要求。

二、应用领域

TPS25940x 凭借其出色的性能，广泛应用于多个领域：

• 存储设备：PCIe/SATA/SAS HDD 和 SSD 驱动器，为存储设备提供可靠的电源保护。
• 服务器：企业和微型服务器，保障服务器系统的稳定运行。
• 智能负载开关：实现对负载的智能控制。
• 消费电子：机顶盒（STB）、数字电视（DTV）和游戏控制台等，提升设备的电源管理能力。
• RAID 卡：用于 RAID 卡的保持电源管理，确保数据的安全存储。
• 通信设备：电信交换机和路由器，提高通信设备的可靠性。
• 适配器供电设备：为适配器供电的设备提供电源保护。

三、引脚配置与功能

TPS25940x 采用 20 引脚 WQFN 封装，各引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	输入/输出	描述
DEVSLP	1	输入	高电平激活 DevSleep 模式（低功耗模式）
PGOOD	2	输出	高电平表示 PGTH 超过阈值，为开漏输出
PGTH	3	输入	PGOOD 比较器的正输入
OUT	4 - 8	输出	设备的电源输出
IN	9 - 13	输入	设备的电源输入和供电电压
EN/UVLO	14	输入	设置可编程欠压锁定阈值，欠压事件会打开内部 FET 并断言 FLT 表示电源故障
OVP	15	输入	设置可编程过压保护阈值，过压事件会打开内部 FET 并断言 FLT 表示过压
GND	16	-	接地
ILIM	17	输入/输出	通过连接到 GND 的电阻设置过载和短路电流限制
dVdT	18	输入/输出	通过连接到 GND 的电容设置输出电压的上升速率
IMON	19	输出	该引脚输出与内部 FET 电流成比例的缩放电流，可用于模拟电流监测
FLT	20	输出	故障事件指示器，低电平表示欠压、过压、反向电压和热关断事件，为开漏输出
PowerPAD™	-	-	GND 端子必须连接到外露的 PowerPAD，通过多个过孔连接到 PCB 接地平面以实现良好的热性能

四、规格参数

4.1 绝对最大额定值

• 输入电压范围：IN、OUT、PGTH、PGOOD、EN/UVLO、OVP、DEVSLP、FLT 引脚为 -0.3V 至 20V；dVdT、ILIM 引脚为 -0.3V 至 3.6V；IMON 引脚为 -0.3V 至 7V。
• 最大结温：-40°C 至 150°C。
• 存储温度范围：-65°C 至 150°C。

4.2 ESD 评级

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

4.3 推荐工作条件

• 输入电压范围：IN 为 2.7V 至 18V；EN/UVLO、OVP、DEVSLP、OUT、PGTH、PGOOD、dVdT、ILIM 为 0V 至 3V；IMON 为 0V 至 6V。
• 电阻：IMON、ILIM 为 16.9kΩ 至 150kΩ。
• 外部电容：OUT 为 0.1μF；dVdT 为 470nF。
• 工作结温范围：-40°C 至 125°C。

4.4 电气特性

• 电源电压和内部欠压锁定：工作输入电压为 2.7V 至 18V；内部 UVLO 阈值上升为 2.2V 至 2.4V，滞后为 105mV 至 125mV。
• 使能和欠压锁定（EN/UVLO）输入：EN/UVLO 阈值电压上升为 0.97V 至 1.01V，下降为 0.9V 至 0.94V。
• 过压保护（OVP）输入：过压阈值电压上升为 0.97V 至 1.01V，下降为 0.9V 至 0.94V。
• DEVSLP 模式输入：DEVSLP 阈值电压上升为 1.6V 至 2V，下降为 0.8V 至 1.1V。
• 输出斜坡控制（dVdT）：dVdT 充电电流为 0.85μA 至 1.15μA；dVdT 放电电阻为 16Ω 至 24Ω；dVdT 最大电容电压为 2.6V 至 3.1V；dVdT 到 OUT 增益为 11.65V/V 至 12.05V/V。
• 电流限制编程（ILIM）：ILIM 偏置电压为 0.87V；电流限制可通过不同的 (R_{(ILIM)}) 电阻设置，范围从 0.53A 至 5.62A。
• 电流监测输出（IMON）：增益因子 (I{(IMON)}:I{(OUT)}) 为 47.78μA/A 至 57.23μA/A。
• MOSFET - 功率开关：IN 到 OUT 的导通电阻在不同温度和负载电流下有所变化，典型值为 42mΩ。
• PASS FET 输出（OUT）：OUT 漏电电流在关断状态下为 -2μA 至 13μA。
• 故障标志（FLT）：FLT 内部下拉电阻为 10Ω 至 30Ω；FLT 输入漏电电流为 -1μA 至 0μA。
• 电源良好比较器输入（PGTH）：PGTH 阈值电压上升为 0.97V 至 1.01V，下降为 0.9V 至 0.94V；PGTH 输入漏电电流为 -100nA 至 100nA。
• 电源良好比较器输出（PGOOD）：PGOOD 内部下拉电阻为 10Ω 至 35Ω；PGOOD 输入漏电电流为 -1μA 至 1μA。
• 热关断（TSD）：TSD 阈值为 160°C，滞后为 12°C；TPS25940L 为锁存模式，TPS25940A 为自动重试模式。

4.5 时序要求

• 使能和 UVLO 输入：EN 开启延迟在不同条件下有所不同，关闭延迟为 2μs。
• 过压保护输入（OVP）：OVP 禁用延迟为 2μs。
• 输出斜坡控制（dV/dT）：输出斜坡时间根据不同的 (C_{(dVdT)}) 电容和输出电压有所变化。
• 电流限制：快速跳闸比较器延迟为 200ns。
• 反向保护比较器：反向保护比较器延迟在不同条件下为 1μs 至 10μs。
• 电源良好比较器输出（PGOOD）：PGOOD 延迟（消抖）时间上升和下降均为 0.42ms 至 0.66ms。
• 热关断（TSD）：TPS25940A 的重试延迟为 128ms。

4.6 典型特性

通过一系列典型特性曲线，展示了 TPS25940x 在不同温度、电压和负载条件下的性能表现，如 UVLO 阈值电压与温度的关系、输入电源电流与电源电压的关系等，为工程师在实际应用中提供了重要的参考依据。

五、详细功能描述

5.1 使能和调整欠压锁定

EN/UVLO 引脚控制内部 FET 的开关状态。当该引脚电压 (V{(ENUVLO)}{(ENF)}) 时，内部 FET 关闭，断开 IN 与 OUT 的连接；当电压低于 (V{(SHUTF)}) 时，设备进入关机模式，静态电流 (I{0}) 小于 15μA。内部 EN/UVLO 下降沿的消抖延迟较低，可快速检测电源故障。若需要更高的消抖延迟或电源噪声较大，建议在 EN/UVLO 端子与 GND 之间使用外部旁路电容。欠压锁定可通过外部电阻分压器从电源 IN 端子连接到 EN/UVLO 端子再到 GND 进行编程。同时，设备在 IN 端子上实现了内部欠压锁定（UVLO）电路，当 IN 端子电压低于内部 UVLO 阈值 (V_{(UVF)}) 时，设备禁用。

5.2 过压保护（OVP）

设备通过连接从电源到 OVP 端子再到 GND 的电阻分压器来编程过压阈值。当 OVP 引脚电压超过 (V_{(OVPR)}) 时，内部 FET 关闭，保护下游负载。若不使用该功能，应将 OVP 引脚接地。

5.3 热插拔和浪涌电流控制

该设备设计用于控制卡插入带电背板或其他“热”电源时的浪涌电流，通过限制背板电源电压的下降和防止系统电源意外复位。通过在 dVdT 引脚与 GND 之间连接外部电容，可定义上电时输出电压的上升速率。输出电压的上升时间 (t{dVdT}) 可通过公式计算，浪涌电流 (I{(INRUSH)}) 也可根据相关公式计算。若 dVdT 引脚悬空，设备将设置内部输出电压上升速率为 12V/ms。

5.4 过载和短路保护

设备通过监测内部感测电阻两端的电压来监测负载电流。在过载事件中，电流被限制在由 (R{(ILIM)}) 电阻编程的电流限制 (I{(LIM)}) 。设备具有电流限制 (I{(LIM)}) 和快速跳闸阈值 (I{(FASTRIP)}) 两个不同的级别。在过载情况下，内部电流限制放大器将输出电流调节到 (I{(LIM)}) ，若设备结温达到热关断阈值 (T{(TSD)}) ，内部 FET 将关闭。TPS25940L 版本将保持锁存关闭状态，而 TPS25940A 版本将在 (T{J}<[T{(TSD)}-12^{circ}C]) 后 128ms 开始自动重试周期。在短路事件中，快速跳闸比较器将在电流超过 (I_{(FASTRIP)}) 时在 1μs 内关闭通过设备，终止快速短路峰值电流。

5.5 故障响应

FLT 开漏输出在欠压、过压、反向电压/电流和热关断条件下被断言（低电平有效）。FLT 信号将保持断言状态，直到故障条件消除，设备恢复正常运行。设备通过内部“消抖”电路消除欠压和过压条件下的误报故障，确保在输入总线瞬变期间不会意外断言故障。

5.6 电流监测

IMON 端子的电流源与从 IN 到 OUT 的电流成比例。通过在 IMON 端子与 GND 端子之间连接电阻 (R_{(IMON)}) ，可将该电流转换为电压，用于监测系统中的电流流动。最大监测电流的电压范围有限制，以确保线性输出。该引脚不应连接旁路电容，以免延迟电流监测信息。可使用 ADC 将 IMON 引脚的电压数字化，以读取电流监测信息。

5.7 电源良好比较器

设备内置电源良好比较器，用于与下游 DC - DC 转换器或系统监测电路协调状态。比较器的负端子具有内部参考电压 (V_{(PGTHR)} = 0.99V) ，正端子 PGTH 可用于监测设备的输入或输出。比较器输出 PGOOD 为开漏高电平有效信号，可用于向下游单元指示状态。PGOOD 信号具有消抖时间，以确保在下游转换器施加重载之前内部 FET 完全增强。

5.8 IN、OUT 和 GND 引脚

设备具有多个输入（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 与 GND 之间靠近设备处使用陶瓷旁路电容，以减轻总线瞬变。推荐的工作电压范围为 2.7V - 18V。OUT 引脚在导通状态下的电压可根据公式 (V{(OUT)} = V{(IN)} - (R{ON} × I{(OUT)})) 计算。GND 端子是电路中最负的电压，用作所有电压参考的基准。

5.9 热关断

当 (T{J}>160^{circ}C) （典型值）时，内部过热关断功能将关闭 FET。TPS25940L 版本将锁定内部 FET 关闭，而 TPS25940A 版本将在 (T{J}) 降至 ([T_{(TSD)}-12^{circ}C]) 以下 128ms 后开始自动重试周期。在热关断期间，故障引脚 FLT 拉低以指示故障条件。

六、设备功能模式

6.1 DevSleep 模式

DevSleep 是 SATA® 规范中引入的一种新状态，要求基于 SATA 的存储解决方案达到低功耗运行水平。TPS25940 提供专用的 DevSleep 接口端子（DEVSLP），当该端子拉高时，设备进入低功耗 DevSleep 模式，此时设备的静态电流消耗限制在小于 130μA（典型值为 95μA）。在该模式下，输出电压保持激活，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，其他保护功能保持活跃，确保系统安全。用户在设备进入 DevSleep 模式时，必须确保总线上的负载电流限制在 (I{(DEVSLP(LIM))}) 以下，并且在退出 DevSleep 模式时，应先对 TPS25940 进行排序，再开启负载，以免负载超过 (I_{(DEVSLP(LIM))}) 导致设备进入过载模式。

6.2 关机控制

通过使用开集电极或开漏设备将 UVLO 引脚拉至其 0.6V 阈值以下，可远程