TPS22981：3.3 - 18V Thunderbolt™ 电源多路复用器设计指南

在电子设备的电源管理领域，高效且可靠的电源切换和电流控制至关重要。TI 的 TPS22981 电源多路复用器专为 Thunderbolt™ 和 Thunderbolt II™ 应用而设计，能够在不同电压源之间实现无缝切换，为设备提供稳定的电源供应。本文将深入介绍 TPS22981 的特性、应用、设计要点以及布局建议，帮助电子工程师更好地理解和应用这款产品。

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一、产品概述

TPS22981 是一款电流受限的电源多路复用器，可从低电压电源（3V - 3.6V）或高电压电源（4.5V - 19.8V）为外围设备提供连接。通过数字控制信号选择所需的输出，适用于笔记本电脑、台式电脑和电源管理系统等多种应用场景。

产品特性

• 宽电压范围：支持 3.3V 供电，以及 4.5V - 19.8V 的高电压开关和 3V - 3.6V 的开关。
• 可调电流限制：通过外部电阻设置高电压（VHV）和低电压（V3P3）开关的电流限制，确保设备在安全电流范围内运行。
• 热关断保护：当结温达到 110 - 130°C 时，设备进入热关断状态，防止过热损坏。
• 先通后断开关：实现从低电压到高电压的无缝过渡，减少电压下降和直通电流。
• 反向电流阻断：防止电流回流，保护电源和设备安全。

二、应用场景

笔记本电脑和台式电脑

在电脑系统中，TPS22981 可用于电源管理，实现不同电压源之间的切换，为外设提供稳定的电源。例如，在 Thunderbolt 接口中，可根据需要在 3.3V 和高电压之间切换，满足不同设备的供电需求。

电源管理系统

在电源管理系统中，TPS22981 可用于控制电源的分配和切换，提高电源的利用效率和可靠性。

三、详细功能解析

电流限制功能

TPS22981 的高电压和 V3P3 电源电流限制均可通过外部电阻进行调节。VHV 路径有两种模式，可通过 S0 引脚选择不同的电流限制，满足不同工作模式（如活动和睡眠）的需求。

电流限制阈值计算

通过公式 (R{SET}=frac{40 k Omega × Amps }{I{LIMTYP }}) 可以计算出设置典型电流限制所需的外部电阻值。同时，根据不同的 (R_{SET}) 值，可确定最小和最大电流限制。

最大电流限制阈值

为防止 ISET 引脚短路时出现过大电流，TPS22981 设有最大电流限制 (I{LIMVHVMAX}) 和 (I{LIM3P3MAX})。

过渡延迟

在设备从 VHV 切换到 V3P3 时，会出现过渡延迟。在此期间，电源开关会关闭，直到输出电压接近 V3P3 电压。如果有负载，输出电压可能会降至接近 0V，然后再恢复到 3.3V。

数字控制信号

OUT 引脚的电压由 EN 和 HV_EN 两个输入数字逻辑信号控制。HV_EN 控制 VHV 开关的状态，EN 控制 V3P3 开关的状态。

过流限制和短路保护

当负载试图吸取超过外部 (R_{SET}) 电阻设置的电流限制时，设备将进入恒流模式，降低输出电压。所有短路情况都被视为过流情况，设备将限制输出电流，直到热关断或短路情况消除。

反向电流保护

当 V3P3 电源出现反向电流时，V3P3 电源开关将打开，同时触发放电电流源，将输出电压降至接近 V3P3 电压。

反向电流阻断

VHV 开关在关闭时可阻止电流从 OUT 流向 VHV。

热关断

当结温达到 (T_{SD}) 时，设备进入热关断状态。结温下降 10°C 后，设备将恢复之前的状态。

四、设计与应用要点

典型应用设计

在设计使用 TPS22981 时，需要确保所有并行输出、电源和接地引脚都正确连接。根据所需的电流限制，使用公式确定 (RSET_S0)、(RSET_S3) 和 (RSET_V3P3) 的值。如果使用 FAULTZ 输出，需在 FAULTZ 和 V3P3 之间连接一个最小 30kΩ 的电阻。

电源供应建议

电源供应的电流能力应与所选的最大电流限制水平相匹配。VHV 和 V3P3 必须进行适当的去耦，建议在 V3P3 引脚附近连接一个最小 0.1µF 的接地电容。同时，要注意 VHV 线路中的电感，避免在负载断开时出现过压情况。

布局指南

• 确保 OUT、V3P3 和 V3P3OUT 引脚的去耦电容直接连接到坚实的接地平面或接地连接，并尽可能靠近各自的引脚。
• 路由 VHV 输入，以最小化电源源和 VHV 引脚之间的总电感。
• 检查布局走线宽度，确保其具有足够的载流能力和合适的电阻压降。

五、总结

TPS22981 是一款功能强大的电源多路复用器，具有宽电压范围、可调电流限制、热关断保护等多种特性，适用于多种应用场景。在设计应用时，电子工程师需要根据具体需求合理设置电流限制、选择合适的电源供应和进行正确的布局，以确保设备的稳定运行。通过深入理解 TPS22981 的功能和设计要点，工程师可以充分发挥其优势，为电子设备的电源管理提供可靠的解决方案。

你在设计过程中是否遇到过类似电源切换和电流控制的问题？你对 TPS22981 的应用有什么独特的见解吗？欢迎在评论区分享你的经验和想法。