ZHCSUJ5 March   2025 TPS1689

ADVANCE INFORMATION  

  1.   1
  2. 1 特性
  3. 2 应用
  4. 3 说明
  5. 4 引脚配置和功能
  6. 5 规格
    1. 5.1  绝对最大额定值
    2. 5.2  ESD 等级
    3. 5.3  建议运行条件
    4. 5.4  热性能信息
    5. 5.5  电气特性
    6. 5.6  PMBus 和 GPIO 直流特性
    7. 5.7  遥测
    8. 5.8  逻辑接口
    9. 5.9  时序要求
    10. 5.10 典型特性
  7. 6 详细说明
    1. 6.1 概述
    2. 6.2 功能方框图
    3. 6.3 特性说明
      1. 6.3.1  欠压保护
      2. 6.3.2  插入延迟
      3. 6.3.3  过压保护
      4. 6.3.4  浪涌电流、过流和短路保护
        1. 6.3.4.1 压摆率 (dVdt) 和浪涌电流控制
          1. 6.3.4.1.1 启动超时
        2. 6.3.4.2 稳定状态过流保护（断路器）
        3. 6.3.4.3 启动期间的工作电流限制
        4. 6.3.4.4 短路保护
      5. 6.3.5  模拟负载电流监测器 (IMON)
      6. 6.3.6  过热保护
      7. 6.3.7  模拟结温监测器 (TEMP)
      8. 6.3.8  FET 运行状况监测
      9. 6.3.9  单点故障缓解
        1. 6.3.9.1 IMON 引脚单点故障
        2. 6.3.9.2 IREF 引脚单点故障
      10. 6.3.10 通用数字输入/输出引脚
        1. 6.3.10.1 故障响应和指示 (FLT)
        2. 6.3.10.2 电源正常状态指示 (PG)
        3. 6.3.10.3 并联器件同步 (SWEN)
      11. 6.3.11 堆叠多个电子保险丝以使可扩展性不受限制
        1. 6.3.11.1 启动期间的电流平衡
      12. 6.3.12 快速输出放电 (QOD)
      13. 6.3.13 写保护功能 (WP#)
      14. 6.3.14 PMBus® 数字接口
        1. 6.3.14.1  PMBus® 器件寻址
        2. 6.3.14.2  SMBus 协议
        3. 6.3.14.3  SMBus™ 消息格式
        4. 6.3.14.4  数据包错误检查
        5. 6.3.14.5  组命令
        6. 6.3.14.6  SMBus™ 警报响应地址 (ARA)
        7. 6.3.14.7  PMBus® 命令
        8. 6.3.14.8  模数转换器
        9. 6.3.14.9  数模转换器
        10. 6.3.14.10 DIRECT 格式转换
        11. 6.3.14.11 黑盒故障记录
    4. 6.4 器件功能模式
  8. 7 应用和实施
    1. 7.1 应用信息
      1. 7.1.1 单器件独立运行
      2. 7.1.2 单个 TPS1689 和多个 TPS1685 器件，并联连接
      3. 7.1.3 多个 TPS1689 器件：具有单独遥测功能的并联连接
      4. 7.1.4 多器件，独立运行（多区域）
    2. 7.2 典型应用：数据中心服务器中带 PMBus® 接口的 54V、2kW 电源路径保护
      1. 7.2.1 设计要求
      2. 7.2.2 详细设计过程
      3. 7.2.3 应用性能曲线图
    3. 7.3 电源相关建议
      1. 7.3.1 瞬态保护
      2. 7.3.2 输出短路测量
    4. 7.4 布局
      1. 7.4.1 布局指南
      2. 7.4.2 布局示例
  9. 8 应用限制和勘误表
  10. 9 器件和文档支持
    1. 9.1 文档支持
      1. 9.1.1 相关文档
    2. 9.2 接收文档更新通知
    3. 9.3 支持资源
    4. 9.4 商标
    5. 9.5 静电放电警告
    6. 9.6 术语表
  11. 10修订历史记录
  12. 11机械、封装和可订购信息
    1. 11.1 机械数据

7.2.2 详细设计过程

  • 确定要并联使用的电子保险丝器件数量

    由于设计必须具有用于遥测、控制和配置的 PMBus® 功能或接口，因此 TPS1689 电子保险丝必须用作主器件，与用作辅助器件的 TPS1685x 电子保险丝并联，以便支持所需的稳定状态热设计电流。由于结温至环境温度热阻 (RθJA) 的差异很小，每个 TPS1689 电子保险丝和 TPS1685x 电子保险丝的额定最大 RMS 电流分别为 20A 和 20A，最高结温为 125°C。因此，方程式 17 可以用于计算要与 TPS1689 电子保险丝并联的 TPS1685x 电子保险丝 (N-1) 的数量，以支持必须为其设计解决方案的最大稳定状态直流负载电流 (ILOAD(max))。
    方程式 17. N - 1 ≥ I O U T m a x - 20   20

    根据 表 7-1，IOUT(max) 为 40A。因此、并联了一 (1) 个 TPS1689 和一 (1) 个 TPS1685x 电子保险丝，以支持所需的稳定状态负载电流。

  • 在 TPS1689 和 TPS1685x 电子保险丝的并联组合中设置主器件和辅助器件

    TPS1689 默认用作主器件。通过将所有 TPS1685x 电子保险丝的 MODE 引脚连接到 GND，这些电子保险丝可以被配置为辅助器件。

  • 选择 VIREF 以设置过流保护和有源电流均流的参考电压

    过流保护和有源电流均流的参考电压 (VIREF) 默认为 1V。但是，如果需要 0.3V 至 1.2V 范围内的另一个参考电压，则可以使用 VIREF 寄存器通过 PMBus® 对其进行编程。当 IMON 引脚电压 (VIMON) 用作 ADC 的输入以监控系统电流或实现 VR 控制器内的平台功率控制 (Intel PSYS) 功能时，VIREF 必须设置为控制器 ISYS_IN 输入的最大电压范围的一半。此操作为系统提供了必要的余量和动态范围，以准确地监测最高为快速跳变阈值 (2 × IOCP(TOTAL)) 的负载电流。为了提高防噪性能，在 IREF 引脚和 GND 之间放置一个 1nF 陶瓷电容器。

    注：

    将 VIREF 保持在建议的电压范围内，以确保过流检测电路正常工作。

  • 选择 RIMON 电阻器以设置稳定状态期间的过流（断路器）和快速跳变阈值

    TPS1689 电子保险丝通过在用户可调节的瞬态故障消隐间隔后关闭输出来应对稳定状态期间的输出过流情况。此电子保险丝器件持续检测系统总电流 (IOUT) 并在 IMON 引脚上产生成比例的模拟电流输出 (IIMON)。这会在 IMON 引脚电阻器 (RIMON) 两端产生电压 (VIMON)，以响应负载电流，其定义为 方程式 18。

    方程式 18. V I M O N = I O U T × G I M O N × R I M O N

    GIMON 是电流监控器增益 (IIMON：Iout)，其典型值为 18.23µA/A。通过将 VIMON 与作为阈值的 VIREF 进行比较来检测过流情况。稳定状态期间的断路器阈值 (IOCP(TOTAL)) 可以使用 方程式 19 计算得出。

    方程式 19. I O C P T O T A L = V I R E F G I M O N × R I M O N

    在此设计示例中，IOCP(TOTAL) 被视为约 44A。因此，IOCP(TOTAL) 需要设置为 44A，RIMON 可以计算为 1246.6Ω，其中 GIMON 为 18.23µA/A 且 VIREF 为 1V。所选 RIMON 值为 1240Ω，其中容差为 0.1% 且额定功率为 100mW。这会导致断路器阈值为 44.2A。为了提高防噪性能，在 IMON 引脚和 GND 之间放置一个 22pF 陶瓷电容器。

    注：

    选择 RIMON 时必须考虑总体系统输出电流 (IOUT)，而不是每个独立器件承载的电流。

  • 选择 RILIM 电阻器以设置稳定状态期间的有源均流阈值

    RILIM 用于设置并联链中各器件在稳定状态期间的有源电流均流阈值。每个器件都持续监测流过它的电流 (IDEVICE) 并在其自身的 ILIM 引脚上输出成比例的模拟输出电流。这进而在相应的 ILIM 引脚电阻器 (RILIM) 两端产生成比例的电压 (VILIM)，表示为 方程式 20。

    方程式 20. V I L I M = I D E V I C E × G I L I M × R I L I M

    GILIM 是电流监测器增益 (IILIM: IDEVICE)，其典型值为 18.24μA/A。

    • 稳定状态期间的主动均流：此机制仅在器件达到稳定状态后才起作用，并通过将其自身的负载电流信息 (VILIM) 与有源电流均流参考 (CLREFLIN) 阈值（定义为 方程式 21）进行比较而独立起作用。

    • 方程式 21. C L R E F L I N = 1.1 × V I R E F 3
      因此，RILIM 必须使用 方程式 22 进行计算，将有源电流均流阈值定义为 IOCP(TOTAL)/N，其中 N 是并联器件的数量。使用 N = 2、RIMON = 1240Ω 和 方程式 22，RILIM 可以计算为 909.3Ω。对于每个器件，选择容差为 0.1% 且额定功率为 100mW 的最接近标准值 909Ω 的电阻器作为 RILIM。
    方程式 22. R I L I M = 1.1 × N × R I M O N 3
注： 要确定 RILIM 的值，如果需要有源电流均流 (ILIM(ACS)) 的不同阈值，则必须使用 方程式 23。
方程式 23. R I L I M = 1.1 × V I R E F 3 × G I L I M × I L I M ( A C S )

  • 选择过流消隐计时器持续时间 (tOC_TIMER)

    整个并行链的过流消隐计时器持续时间 (tOC_TIMER) 由 TPS1689 控制，并默认设置为 2.18ms。但是，它可以通过 PMBus® 使用 OC_TIMER (E6h) 寄存器编程为不同的值。所有辅助 TPS1685x 器件的 ITIMER 引脚必须保持开路。

  • 选择电阻器来设置欠压锁定阈值

欠压锁定 (UVLO) 阈值通过使用连接在器件的 IN、EN/UVLO 和 GND 引脚之间的外部分压器网络 R1 和 R2 来调整，如 节 6.3.1 部分所述。设置 UVLO 阈值所需的电阻值使用 方程式 24 计算得出。为了尽可能降低从电源汲取的输入电流，TI 建议对 R1 和 R2 使用较高的电阻值。根据器件电气规格，UVLO 上升阈值 VUVLO(R) = 1.2V。根据设计要求，VINUVLO = 46V。首先选择 R1 的值 = 3.74MΩ，然后使用 方程式 24 计算得出 R2 = 100kΩ。使用最接近的标准 1% 电阻值：R1 = 3.74MΩ 且 R2 = 100kΩ。为了降低噪声，在 EN/UVLO 引脚和 GND 之间放置一个 100pF 陶瓷电容器。
  • 方程式 24. V I N U V = V U V L O R R 1 + R 2 R 2

  • 选择电阻器以设置过压锁定阈值

    过压锁定 (OVLO) 阈值通过使用连接在设备的 IN、OVLO 和 GND 引脚之间的外部分压器网络 R3 和 R4 进行调整，如过压保护部分所述。设置 OVLO 阈值所需的电阻值通过使用下面的公式计算得出。

  • 方程式 25. V I N O V = V O V L O R R 1 + R 2 R 2

    为了尽可能降低从电源汲取的输入电流，TI 建议对 R3 和 R4 使用较高的电阻值。根据器件电气规范，OVLO 上升阈值 VOVLO(R) = 1.164V。根据设计要求，VINOVLO = 60V。首先选择 R1 的值 = 5.11MΩ，然后使用 方程式 24 计算得出 R3 = 101kΩ。使用最接近的标准 1% 电阻值：R3 = 5.11MΩ 且 R4 = 102kΩ。为了降低噪声，请在 OVLO 引脚和 GND 之间放置一个 10pF 陶瓷电容器。

  • 在 TPS1689 和 TPS1685x 的 VIN 和 VDD 之间选择 R-C 滤波器

    VDD 引脚用于通过经过滤波的稳定电源为电子保险丝器件的内部控制电路供电，使之不受系统瞬态的影响。因此，在输入电源（IN 引脚）和 VDD 引脚之间使用 R (150Ω) – C (0.22µF) 滤波器。这有助于滤除电源噪声，并在严重故障（例如输出端短路）期间保持控制器电源。在并联链中，必须为每个器件采用此 R-C 滤波器。

  • 为 PMBus® SCL、SDA 和 SMBA# 线路选择上拉电阻器

    SCL、SDA 和 SMBA# 线路通常可以通过 10kΩ 的上拉电阻器上拉至低于 5V 的电势力。但是，要根据系统规范获得这些上拉电阻器的适当值，请参阅 I2C 总线上拉电阻器计算。

  • 配置 PMBus® 目标器件地址

    在 ADDR0 和 ADDR1 之间连接适当的电阻器至 GND，或将这些引脚悬空或按照 节 6.3.14.1 中所述将其连接至 GND，以设置首选器件地址。为提高防噪性能以实现正确的地址解码，请将 10pF 陶瓷电容器与 ADDR0 和 ADDR1 上的电阻器并联。

  • 选择输入端的 TVS 二极管和输出端的肖特基二极管

    如果发生短路或断路器事件，当器件瞬间中断大电流时，输入电感会在输入端产生正电压尖峰，而输出电感会在输出端产生负电压尖峰。这些电压尖峰（瞬变）的峰值振幅取决于与器件输入或输出串联的电感值。如果不采取适当的措施来解决此问题，此类瞬变可能会超过器件的绝对最大额定值，并最终导致因电气过应力 (EOS) 而导致的故障。解决此问题的典型方法包括：

    1. 更大限度减少进出器件的引线长度和电感。

    2. 使用较大的 PCB GND 平面。

    3. 在输入端添加瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管来钳制正瞬态尖峰。

    4. 在输出端使用肖特基二极管来吸收负尖峰。

    请参阅热插拔电路中的 TVS 钳位 和在热插拔和 ORing 应用中选择 TVS 二极管 以了解有关以下详细信息：选择合适的 TVS 二极管以及要并联的 TVS 二极管数量，以有效地将输入端的正瞬态电压钳位在 IN 引脚的绝对最大额定值 (90V) 以下。这些 TVS 二极管还有助于在热插拔事件期间限制 IN 引脚上的瞬态电压。在此设计示例中，并联使用了 2 个 SMDJ54A。

    注：

    所选 TVS 二极管在 Ipp (10/1000μs) (V) 时的最大钳位电压 VC 规范必须低于电源输入 (IN) 引脚的绝对最大额定值，以确保电子保险丝安全工作。

    必须根据以下标准来选择肖特基二极管：

    • 所选二极管的非重复峰值正向浪涌电流 (IFSM) 必须大于快速跳变阈值。如果单个肖特基二极管无法满足所需的 IFSM 额定值，则必须使用两个或更多个并联的肖特基二极管。方程式 26 可计算出必须并联的肖特基二极管数量 (NSchottky)。

      方程式 26. N S c h o t t k y > I S F T I F S M

    • 接近 IFSM 的正向压降 (VF) 必须尽可能小。理想情况下，OUT 引脚上的负瞬态电压必须钳制在 OUT 引脚的绝对最大额定值 (–5V) 内。

    • 直流阻断电压 (VRM) 必须大于最大输入工作电压。

    • 漏电流 (IR) 必须尽可能小。

    在此设计示例中，并联使用了 2 个 B360-13-F。

  • 选择 CIN 和 COUT

    TI 建议添加陶瓷旁路电容器，以帮助稳定输入端和输出端的电压。CIN 的值必须保持较小，以最大限度地减小热插拔事件期间的电流尖峰。对于每个器件，0.1µF 的 CIN 是合理的目标。由于 COUT 在热插拔期间不会充电，因此可以在每个器件的 OUT 引脚上使用较大的值（例如 2.2µF）。