ZHCAC18 January 2023 TPS25961
機頂盒 (STB)、智能揚聲器、電表等終端設備 (EE) 需要成本低廉且結構緊湊的電源路徑保護設計。傳統設計由分立式元件組成，例如 MOSFET、保險絲、PTC、齊納二極管、電阻器、電容器等，用于接通和斷開電源軌。這些設計雖然簡單，但通常具有過大的物理和電氣尺寸，并且可能缺乏保護功能。相比之下，TPS25961 等具有集成 FET 的電子保險絲可以提供類似功能，還能增加系統優勢，包括浪涌電流限制和減小設計尺寸。本應用簡報重點介紹使用 TPS25961 相對于分立式設計的優勢。TPS25961 是一款采用 2mm × 2mm 封裝且具有過壓、過流和短路保護功能的 19V 2A 電子保險絲。該器件非常適合個人電子產品和工業電源路徑保護趨勢，這些趨勢要求設計具有寬電壓范圍支持，支持絕對最大電壓最小為 20V，可承受瞬變，且支持小于 2A 的電流限制。
圖 1-1 展示了應用的典型分立式實現，例如 STB、無線耳塞充電盒等終端設備 (EE) 中的適配器和/或 USB 輸入保護。該設計是非常基本的實現，可提供電源路徑通斷功能及浪涌電流控制。使用 TPS25961 的優勢是將關鍵電源路徑保護功能集成至更簡單、更小的設計中，包括熱關斷、受控上升時間、過壓和短路保護。除通斷控制外，需要額外穩健電源路徑保護的應用必須在分立式實現中添加更多元件，這將進一步增加設計尺寸和復雜性。在某些情況下，例如熱關斷，可能無法通過分立式元件正確實現。圖 1-3 比較了基本分立式設計的設計尺寸，該設計充分優化 TPS25961 的配置，可提供固定過壓和過流保護，從而提供通斷控制和固定過流保護。在該示例中，分立式 FET 設計包含 7 個元件，總設計尺寸為 80mm2。相比之下，TPS25961 由 4mm2 的單個 IC 組成，設計尺寸減少了 95%。通過在 OVLO 引腳上添加電阻分壓器并在 ILIM 引腳上添加電阻器，TPS25961 還可配置為具有可編程過壓和過流保護的通用示例，如圖 1-2 所示。
| TPS25961 | PMOS 分立式設計 | ||
|---|---|---|---|
| 固定 OVP 和 OCP | 可編程 OVP 和 OCP | ||
| BOM 數目 | 1 | 4 | 7 |
| 設計尺寸 | 4 mm2 | 33 mm2 | 80 mm2 |
| 浪涌電流控制 | 線性，浪涌電流較低 | 線性，浪涌電流較低 | 基于 RC，浪涌電流較高 |
| 熱關斷 | 是 | 是 | 需要額外元件 |
| 短路保護 | 是 | 是 | |
| 過壓保護 | 是 | 是 | |
采用可調過壓保護電阻器之后，無線耳塞充電盒等 EE 要求具有固定過壓保護閾值，以便精簡物料清單 (BOM)。TPS25961 器件配有 OVLO 引腳，拉至低電平時，可將該器件配置為固定 6V 過壓保護。OVLO 引腳也可采用常規電阻分壓器方法進行配置，且該器件能提供可編程 OVP。在基本分立式實現中添加過壓保護電路需要額外的元件，例如將進一步增大設計尺寸的運算放大器和電阻器。
使用分立式元件實現過流保護功能可能存在精度較低、尺寸較大和響應時間較長等缺點。為減小浪涌電流，分立式實現通過在 PMOS FET 的源極與柵極之間連接電容器來利用 RC 延遲。雖然該過程有助于通過降低 PMOS 的開關速度來減小浪涌電流，但由于輸出電壓上升時間的非線性行為，RC 延遲使電流峰值難以控制。
TPS25961 提供快速準確的電流控制保護功能，例如浪涌電流控制、可配置電流限制和輸出短路保護。TPS25961 有助于智能電表應用，例如在過流故障和大容量電容充電事件期間限制從 SMPS 汲取的電流，從而防止輸入電源崩潰，這對于電表等 EE 非常重要。
多種因素會導致 FET 結溫升高，包括高電流負載、啟動期間的大浪涌電流或輸出短路等故障情況。集成 FET 結溫接近特定閾值時，TPS25961 的熱關斷功能會將其關閉，從而避免 FET 損壞。相比之下，分立式電路通常不含 pass FET 熱保護。如果分立式保護設計不當，在應力事件中，FET 可能會因過載而短路并損壞下游負載或外設。
與分立式電源路徑保護設計相比，TPS25961 性能更高，設計尺寸更小。TPS25961 具有各種系統級優勢，例如減小無線耳塞充電盒尺寸、充分減少過度設計、防止 SMPS 崩潰以及確保安全攝像頭具有穩健可靠的電源路徑。