深入解析TPS1663x：60V工业eFuse的卓越性能与应用

在工业电子领域，可靠的电源保护和管理至关重要。TPS1663x系列60V工业eFuse以其丰富的功能和出色的性能，成为众多应用场景中的理想选择。本文将深入探讨TPS1663x的特点、功能、应用及设计要点。

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一、TPS1663x概述

TPS1663x是德州仪器（TI）推出的一款60V工业eFuse，适用于4.5V至60V的电源系统。它集成了31mΩ的FET，为负载、电源和自身提供了强大的保护功能。同时，具备多种可调节特性，如精确的过流保护、快速短路保护、输出压摆率控制、过压保护和欠压锁定等。

1.1 主要特性

• 宽电压范围：工作电压范围为4.5V至60V，绝对最大电压可达67V，能适应多种工业电源环境。
• 集成FET：内置60V、31mΩ的热插拔FET，降低了外部元件的需求。
• 可调节电流限制：电流限制可在0.6A至6A之间调节，精度为±7%，能有效保护电路。
• 低静态电流：关机状态下静态电流仅为21μA，降低了功耗。
• 可调节输出功率限制（仅TPS16632）：精度为±6%，有助于满足特定的功率要求。
• 可调节UVLO和OVP：精度为±2%，能精确控制欠压和过压保护阈值。
• 输出压摆率控制：可调节输出压摆率，限制浪涌电流。
• Power Good输出：用于指示内部FET的状态，方便系统监控。
• 可选过流故障响应：支持自动重试和锁定关闭两种模式。
• 模拟电流监控输出：精度为±6%，可实时监控电流。
• 认证与安全：获得UL 2367和IEC 62368 - 1认证，具备功能安全能力。

1.2 应用领域

• 工厂自动化和控制：如PLC、DCS、HMI、I/O模块和传感器集线器等。
• 电机驱动：用于CNC和编码器电源。
• 电子断路器：提供可靠的过流保护。
• 电信无线电：保障电源的稳定性。
• 工业打印机：确保设备的正常运行。

二、功能特性详解

2.1 热插拔和浪涌电流控制

当将卡片插入带电背板或其他热电源时，TPS1663x能有效控制浪涌电流，减少背板电源电压的下降，避免系统意外复位。通过在dVdT引脚连接外部电容，可以定义上电时输出电压的压摆率。若将dVdT引脚浮空，可实现最快24V/500μs的输出压摆率。浪涌电流可通过公式 (I = C × frac{dV}{dT} geq I(INRUSH) = C(OUT) × frac{V(N)}{t{dVdT}}) 计算，其中 (t{dVdT} = 20.8 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)})。

2.2 欠压锁定（UVLO）

TPS1663x具备精确的±2%可调节欠压锁定功能。当UVLO引脚电压低于 (V(UVLOF)) 时，内部FET迅速关闭，并通过FLT引脚发出故障信号。UVLO比较器具有78mV（典型值）的迟滞。通过连接电阻分压器网络，可以设置输入UVLO阈值。若不需要该功能，UVLO引脚必须连接到IN引脚，且不能浮空。

2.3 过压保护（OVP）

TPS16630具有精确的±2%可调节过压切断功能，当OVP引脚电压超过 (V(OVPR)) 时，内部FET关闭，保护下游负载。TPS16632则具备内部固定的39V最大过压钳位功能，当输入电压超过40V时，将输出电压钳位在 (V(OVC))。为避免长时间过压导致器件过热，内部FET在过压钳位模式下的最大持续时间为 (t_{ovc(dly)})（典型值为162ms）。

2.4 过载和短路保护

2.4.1 过载保护

TPS1663x能精确限制过载电流，并提供快速短路保护。当负载电流超过编程的电流限制 (I{OL}) 时，器件将电流调节在 (I{OL})，同时降低输出电压。在过载期间，器件的功耗为 ((V{IN} - V{OUT}) × I{OL})，可能导致器件进入热关断状态。过流通过FET的最大持续时间为 (t{CL_PLIM(dly)})（典型值为162ms）。若在该时间内发生热关断，内部FET将关闭，器件根据MODE引脚配置进入自动重试或锁定关闭模式。

2.4.2 短路保护

在输出短路事件中，器件电流迅速增加。由于电流限制放大器带宽有限，无法快速响应，因此采用了快速跳闸比较器。该比较器能在输出短路时快速关闭内部FET（典型值为1μs），阈值为 (I{(SCP)} = 45A)。快速跳闸电路将内部FET关闭几微秒后，器件缓慢重新开启，使电流限制环路将输出电流调节到 (I{(OL)})。

2.5 输出功率限制（仅TPS16632）

在一些高功率应用中，如电气工业过程控制设备，需要限制输出功率以满足安全标准。TPS16632集成了可调节输出功率限制功能，通过在PLIM引脚连接电阻到GND，可以设置输出功率限制值。在过功率负载事件中，TPS16632将输出功率限制在编程值，间接使器件进入电流限制模式。器件在功率限制模式下的最大持续时间为 (t_{CL_PLIM(dly)})（典型值为162ms），之后根据MODE引脚配置进入自动重试或锁定关闭模式。

2.6 电流监控输出（IMON）

TPS1663x具备精确的模拟电流监控输出。IMON引脚的电流源与从IN到OUT的电流成正比，通过连接电阻 (R{(IMON)}) 到GND，可以将电流转换为电压，用于监控系统电流。监控电流的最大电压 (V{(IMONmax)}) 限制为4V，这限制了 (R_{(IMON)}) 的最大值，可通过公式 (V(IMON) = [I(OUT) × GAIN(IMON)] × R(IMON)) 计算。

2.7 故障响应（FLT）

FLT为开漏输出，在欠压、过压、过载、功率限制、ILIM引脚短路和热关断等故障事件时，该引脚会拉低（有效低电平）。器件采用内部去毛刺电路，避免了虚假故障报告。当不需要使用FLT引脚时，可以将其浮空或连接到GND。

2.8 电源良好输出（PGOOD）

PGOOD为开漏输出，用于指示内部FET的状态。当内部FET的栅极增强时，PGOOD引脚为高电平；在故障事件或SHDN引脚拉低时，PGOOD引脚为低电平。PGOOD引脚的上升沿和下降沿有去毛刺功能，典型值分别为11.5ms和10ms。PGOOD引脚额定电压为60V，可以通过电阻上拉到IN或OUT。

2.9 热关断

当器件的结温超过 (T_{(TSD)})（典型值为165°C）时，内置的过热关断电路将保护内部FET。热关断事件发生后，根据MODE引脚配置，器件可以进入锁定关闭或自动重试模式。在热关断期间，故障引脚FLT拉低以指示故障状态。

2.10 低电流关机控制（SHDN）

通过将SHDN引脚拉低至0.8V以下，可以关闭内部和外部FET，从而切断负载电流。关机状态下，器件的静态电流降至21μA（典型值）。要使器件启用，SHDN引脚必须拉高至至少2V。

三、应用与设计

3.1 典型应用

以20V - 50V、1A的电信无线电eFuse保护电路为例，设计要求如下：	设计参数	示例值
V(IN)	20V - 50V
V(UV)	18V
V(OV)	55V
I(LIM)	1A
C OUT	100μF
I(INRUSH)	300mA

3.1.1 编程电流限制阈值 (R_{(ILIM)}) 选择

通过公式 (R{(LIM)} = frac{18}{I{OL}}) 计算，选择最接近的标准1%电阻值 (R_{(ILIM)} = 18kΩ)。

3.1.2 欠压锁定和过压设定点

使用外部电阻分压器网络 (R{1})、(R{2}) 和 (R{3}) 连接在IN、UVLO、OVP和GND引脚之间，通过公式 (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)) 计算所需电阻值。选择 (R{3} = 20.5kΩ)，计算得到 ((R{1} + R{2}) = 930kΩ)，再计算得到 (R{2} = 43kΩ)，(R_{1} = 887kΩ)。

3.1.3 设置输出电压上升时间 (t_{dVdT})

使用公式 (I = C × frac{dV}{dT} geq I(INRUSH) = C(OUT) × frac{V(N)}{t{dVdT}}) 和 (t{dVdT} = 20.8 × 10^{3} × V{(IN)} × C{(dVdT)}) 计算所需的 (C{(dVdT)})，得到 (C{(dVdT)} = 22nF)。

3.2 电源供应建议

TPS1663x eFuse适用于4.5V至60V的电源电压范围。若输入电源与器件距离较远，建议使用大于0.1μF的输入陶瓷旁路电容。电源的额定电流应大于设定的电流限制，以避免在过流和短路情况下出现电压下降。

3.3 瞬态保护

在短路和过载电流限制时，器件中断电流流动会导致输入和输出产生电压尖峰。为解决这一问题，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GND之间使用肖特基二极管吸收负尖峰。
• 使用约0.1μF的低值陶瓷电容吸收能量并抑制瞬态。
• 对于一些应用，可能需要额外的瞬态电压抑制器（TVS）。

3.4 布局指南

• 在IN端子和GND之间使用0.1μF或更高值的陶瓷去耦电容。
• 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。
• 将所有支持组件（如 (R{(ILIM)})、(R{(PLIM)})、(C{(dVdT)})、(R{(IMON)})、UVLO和OVP电阻）靠近其连接引脚放置，并将组件的另一端以最短的走线连接到GND。
• 保护器件（如TVS、缓冲器、电容或二极管）应靠近被保护的器件放置，并使用短走线以减少电感。
• 对于PowerPAD封装，应将其直接焊接到电路板的GND平面，以提高散热能力。

四、总结

TPS1663x系列60V工业eFuse凭借其丰富的功能、出色的性能和可靠的保护机制，为工业电子系统提供了强大的电源管理解决方案。无论是在工厂自动化、电机驱动还是电信等领域，TPS1663x都能满足各种应用需求。在设计过程中，合理选择组件值、注意电源供应和布局等方面，能够充分发挥TPS1663x的优势，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用TPS1663x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。