TPS2475x：12A eFuse电路保护器的深度解析与应用指南

在电子设备的设计中，电路保护是至关重要的一环。TI推出的TPS2475x系列12A eFuse电路保护器，凭借其高度集成的特性和强大的保护功能，在众多应用场景中得到了广泛的应用。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：tps24750.pdf

产品概述

TPS2475x系列包括TPS24750和TPS24751，适用于2.5V至18V的应用，能够为源、负载和内部MOSFET提供保护，防止潜在的损坏事件。它将热插拔控制器和功率MOSFET集成在一个封装中，适用于小尺寸应用。

产品特性

• 宽电压范围与高电流能力：支持2.5V至18V的总线操作，连续电流可达12A，满足多种应用需求。
• 集成MOSFET：内置MOSFET，典型 (R_{DS(on)}) 为3mΩ，有效降低导通损耗。
• 可编程功能：包括可编程电流限制、FET安全工作区（SOA）保护、故障定时器、输出压摆率、欠压（UV）和过压（OV）保护等，可根据具体应用进行灵活配置。
• 状态监测与控制：提供电源良好（PG）和故障（FLT）输出，以及模拟负载电流监测功能，方便系统进行状态监测和下游负载控制。
• 保护机制：具备快速断路器用于短路保护和热关断功能，确保系统在异常情况下的安全性。
• UL认证：获得UL 2367认证，文件编号为E339631，符合相关安全标准。

应用场景

TPS2475x广泛应用于服务器、高电流负载开关、通信设备、插件模块、RAID系统、基站和风扇控制等领域，为这些设备提供可靠的电路保护。

产品规格与参数

绝对最大额定值

在操作自由空气温度范围内，各引脚的电压和电流都有明确的限制。例如，输入电压（DRAIN、EN、FLTb等引脚）范围为 -0.3V至30V，最大结温为150°C，存储温度范围为 -65°C至150°C。

ESD评级

人体模型（HBM）和带电设备模型（CDM）的ESD评级均为 ±500V，在使用过程中需要注意静电防护。

推荐工作条件

推荐的输入电压范围为2.5V至18V，不同引脚的电压、电流和电阻等参数也有相应的要求。例如，OV引脚的电压范围为0V至16V，PROG引脚的电阻范围为4.99kΩ至500kΩ。

热信息

提供了多种热指标，如结到环境热阻 (R{θJA}) 为33.7°C/W，结到外壳（顶部）热阻 (R{θJC(top)}) 为28.2°C/W等，有助于在设计中进行热管理。

电气特性

在 -40°C至 +125°C的结温范围内，对各个引脚的参数进行了详细规定。例如，VCC引脚的欠压锁定（UVLO）阈值上升为2.20V至2.45V，下降为2.10V至2.35V；OUT引脚的导通电阻在不同温度和电流条件下有不同的值。

引脚配置与功能

TPS2475x采用36引脚的VQFN（RUV）封装，各引脚具有不同的功能。

• DRAIN：内部通MOSFET的漏极，连接到功率路径中的电流感测电阻的一端。
• EN：高电平有效使能输入，可作为欠压监测引脚，通过外部电阻分压器实现。
• FLTb：低电平有效、开漏输出，指示过载故障定时器已关闭内部FET。TPS24750工作在锁存模式，TPS24751工作在重试模式。
• GATE：为内部MOSFET提供栅极驱动，在启动时可调节内部FET的栅极电压以限制浪涌电流。
• GND：连接到系统地。
• IMON：负载电流模拟和电流限制编程点，通过连接到地的电阻 (R_{IMON}) 来缩放电流限制和功率限制设置。
• OUT：连接到内部MOSFET的源极，用于测量漏源电压，必须用低阻抗陶瓷电容旁路到地。
• OV：用于编程设备的过压水平，当电压超过1.35V时，关闭内部FET。
• PGb：低电平有效、开漏输出，用于指示电源良好状态，可与下游dc/dc转换器或监测电路接口。
• PROG：通过连接到地的电阻设置内部MOSFET在浪涌期间允许的最大功率。
• SENSE：连接到 (R_{SENSE}) 的负端，用于感测电阻两端的电压和监测内部FET的漏源电压。
• SET：通过连接到 (R{SENSE}) 正端的电阻 (R{SET}) 来缩放电流限制和功率限制设置。
• TIMER：通过连接到地的电容 (C_{T}) 确定过载故障计时。
• VCC：为集成电路提供偏置电源，同时作为上电复位（POR）和欠压锁定（UVLO）功能的输入。

工作模式与功能详解

板卡插入模式

当热插拔板卡插入系统总线时，TPS2475x在内部电压稳定期间保持 inactive 状态。当内部VCC电压超过约1.5V时，上电复位（POR）电路初始化设备，开始启动周期。

浪涌操作模式

初始化完成且EN有效后，GATE引脚开始增加电压，当达到内部FET的栅极阈值时，电流流入下游大容量存储电容。当电流超过功率限制引擎设置的限制时，内部FET的栅极由反馈回路调节，以控制电流上升，同时将内部FET的功率耗散限制在安全水平。当 (V_{(GATE - VCC)}) 达到定时器激活电压时，浪涌模式结束。

恒功率引擎的作用

在启动期间，恒功率引擎通过调节参考信号来调整电流，以保持内部FET的功率耗散恒定。例如，当电流开始流动时，根据输入电压和设定的功率限制，允许一定的电流通过，随着漏源电压的减小，电流成反比增加，直到达到电流限制 (I_{LIM})。

断路器和快速跳闸功能

TPS2475x通过感测 (R_{SENSE}) 两端的电压来监测负载电流，具有电流限制阈值和快速跳闸阈值。当电流超过电流限制阈值时，故障定时器开始计时，当电压达到1.35V时，内部FET关闭。TPS24750进入锁存模式，TPS24751进入重启模式。当电压超过快速跳闸阈值（60mV）时，GATE引脚立即以约1A的电流将内部FET栅极拉到地，然后缓慢重新开启，由电流限制反馈回路接管栅极控制。

自动重启功能

TPS24751在故障导致内部FET关闭后，会自动启动重启。内部控制电路使用 (C_{T}) 计数16个周期后重新启用FET。如果故障仍然存在，该序列将重复进行。

输出短路启动功能

TPS2475x能够在启动期间检测输出短路，并确保热插拔电路/系统关闭并发出故障指示。如果在启动周期内 (C_{T}) 上的电压达到1.35V，内部FET关闭，故障引脚FLTb拉低。

PGb、FLTb和定时器操作

• PGb：基于内部FET两端的电压提供去毛刺的浪涌结束指示，可防止下游dc/dc转换器在输入电容 (C_{OUT}) 仍在充电时启动。
• FLTb：指示允许的故障定时器周期结束，当负载电流超过编程的电流限制但未超过快速跳闸阈值时，故障定时器开始计时，当 (C_{T}) 上的电压达到1.35V时，FLTb拉低。
• 定时器：在不同的工作模式下，定时器的行为有所不同。在锁存模式和重试模式下，当 (C_{T}) 达到上限阈值时，分别有不同的操作。

过温关断功能

当芯片管芯温度超过约140°C时，内置的过温关断电路会禁用栅极驱动器，关闭内部FET。当温度下降约10°C时，恢复正常操作。

热插拔电路的启动方式

TPS2475x有两种启动内部FET的方式：一是当EN高于其上限阈值且VCC高于UVLO上限阈值时，向内部FET的栅极提供电流；二是当VCC高于UVLO上限阈值且EN高于其上限阈值时，同样向内部FET的栅极提供电流。内部FET可以通过多种条件禁用，如UVLO、EN、负载电流超过电流限制阈值、负载短路、OV或OTSD等。

应用与设计

设计步骤

在设计应用电路时，可以按照以下步骤选择组件值：

1. 选择 (R{SENSE})、(SET) 和 (R{IMON})：推荐的电流限制阈值电压范围为10mV至42mV，为了实现高效率，应尽量减小 (R{SENSE}) 的功率耗散。同时，根据电流限制要求选择合适的 (R{SET}) 和 (R_{IMON}) 值。
2. 选择功率限制值 (P{LIM}) 和 (R{PROG})：为了防止内部FET管芯温度超过短期最大温度，需要设置功率限制 (P{LIM})。根据热阻和温度等参数计算 (P{LIM})，并选择合适的 (R_{PROG}) 电阻。
3. 选择输出电压上升时间 (t{ON}) 和定时电容 (C{T})：根据负载电容和功率限制等条件计算 (t{ON})，并考虑额外的栅极电压上升时间，确定最小故障时间 (t{FLT})。选择合适的 (C_{T}) 值，以避免在启动期间关闭。
4. 计算重试模式占空比：在重试模式下，TPS24751的占空比为6.35ms / 161.45ms = 3.93%，有效稳态功率耗散为 (P_{LIM}) 的4%。
5. 选择 (R{1})、(R{2}) 和 (R_{3}) 用于UV和OV：根据TPS2475x的电气规格和设计要求，选择合适的电阻值，以实现欠压和过压保护。
6. 选择 (R{4})、(R{5}) 和 (C_{1})：如果使用PGb和FLTb引脚，需要选择合适的上拉电阻 (R{4}) 和 (R{5})，同时选择合适的旁路电容 (C_{1}) 来控制瞬态电压和噪声。

其他设计考虑因素

• PGb的使用：使用PGb引脚控制和协调下游dc/dc转换器，避免在 (C_{OUT}) 仍在充电时启动转换器，防止出现不期望的锁存状态。
• 输出钳位二极管：对于输出端的感性负载，连接一个二极管从OUT到GND，以满足OUT引脚的额定值，推荐使用肖特基二极管。
• 栅极钳位二极管：对于工作电压大于14V的应用，需要使用负栅极钳位，同时推荐使用几百欧姆的串联电阻或串联硅二极管，以防止输出电容通过栅极驱动器放电到地。
• 旁路电容：在VCC和OUT引脚提供低阻抗陶瓷电容旁路，推荐值范围为10nF至1µF。
• 输出短路测量：由于短路测试结果受多种因素影响，需要仔细配置和选择测试方法，以获得实际的测试结果。

布局指南

TPS2475x的应用需要仔细考虑布局，以确保性能并减少对瞬态和噪声的敏感性。

• 去耦电容：VCC引脚的去耦电容应尽可能靠近引脚和GND，以减小走线长度。
• SET和SENSE走线：SET和SENSE的走线应短且并排运行，以提高共模抑制能力。在与 (R_{SENSE}) 接触的点应使用开尔文连接。
• 高电流路径：高电流承载的功率路径连接应尽可能短，并能够承载至少两倍的满载电流。
• IMON引脚连接：在完成上述连接后，应尽量减少IMON引脚的连接。
• 参考平面：参考应使用铜平面或岛，必要时使用过孔将组件直接连接到适当的返回接地平面或岛。
• 热考虑：PowerPAD封装提供了更好的散热能力，PowerPAD-2应直接焊接到PC板的DRAIN平面，底部的DRAIN平面可增加散热效果。
• 保护器件：保护器件（如缓冲器、TVS、电容或二极管）应靠近被保护的设备，并使用短走线以减少电感。

总结

TPS2475x系列12A eFuse电路保护器是一款功能强大、性能可靠的电路保护器件。通过其丰富的可编程功能和多种保护机制，能够为各种应用提供有效的电路保护。在设计应用电路时，需要根据具体的应用需求和参数要求，合理选择组件值，并注意布局和热管理等方面的问题。希望本文能够为电子工程师在使用TPS2475x时提供一些有用的参考。

大家在使用TPS2475x的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。