ZHCAC18 January 2023 TPS25961
机顶盒 (STB)、智能扬声器、电表等终端设备 (EE) 需要成本低廉且结构紧凑的电源路径保护设计。传统设计由分立式元件组成，例如 MOSFET、保险丝、PTC、齐纳二极管、电阻器、电容器等，用于接通和断开电源轨。这些设计虽然简单，但通常具有过大的物理和电气尺寸，并且可能缺乏保护功能。相比之下，TPS25961 等具有集成 FET 的电子保险丝可以提供类似功能，还能增加系统优势，包括浪涌电流限制和减小设计尺寸。本应用简报重点介绍使用 TPS25961 相对于分立式设计的优势。TPS25961 是一款采用 2mm × 2mm 封装且具有过压、过流和短路保护功能的 19V 2A 电子保险丝。该器件非常适合个人电子产品和工业电源路径保护趋势，这些趋势要求设计具有宽电压范围支持，支持绝对最大电压最小为 20V，可承受瞬变，且支持小于 2A 的电流限制。
图 1-1 展示了应用的典型分立式实现，例如 STB、无线耳塞充电盒等终端设备 (EE) 中的适配器和/或 USB 输入保护。该设计是非常基本的实现，可提供电源路径通断功能及浪涌电流控制。使用 TPS25961 的优势是将关键电源路径保护功能集成至更简单、更小的设计中，包括热关断、受控上升时间、过压和短路保护。除通断控制外，需要额外稳健电源路径保护的应用必须在分立式实现中添加更多元件，这将进一步增加设计尺寸和复杂性。在某些情况下，例如热关断，可能无法通过分立式元件正确实现。图 1-3 比较了基本分立式设计的设计尺寸，该设计充分优化 TPS25961 的配置，可提供固定过压和过流保护，从而提供通断控制和固定过流保护。在该示例中，分立式 FET 设计包含 7 个元件，总设计尺寸为 80mm2。相比之下，TPS25961 由 4mm2 的单个 IC 组成，设计尺寸减少了 95%。通过在 OVLO 引脚上添加电阻分压器并在 ILIM 引脚上添加电阻器，TPS25961 还可配置为具有可编程过压和过流保护的通用示例，如图 1-2 所示。
| TPS25961 | PMOS 分立式设计 | ||
|---|---|---|---|
| 固定 OVP 和 OCP | 可编程 OVP 和 OCP | ||
| BOM 数目 | 1 | 4 | 7 |
| 设计尺寸 | 4 mm2 | 33 mm2 | 80 mm2 |
| 浪涌电流控制 | 线性，浪涌电流较低 | 线性，浪涌电流较低 | 基于 RC，浪涌电流较高 |
| 热关断 | 是 | 是 | 需要额外元件 |
| 短路保护 | 是 | 是 | |
| 过压保护 | 是 | 是 | |
采用可调过压保护电阻器之后，无线耳塞充电盒等 EE 要求具有固定过压保护阈值，以便精简物料清单 (BOM)。TPS25961 器件配有 OVLO 引脚，拉至低电平时，可将该器件配置为固定 6V 过压保护。OVLO 引脚也可采用常规电阻分压器方法进行配置，且该器件能提供可编程 OVP。在基本分立式实现中添加过压保护电路需要额外的元件，例如将进一步增大设计尺寸的运算放大器和电阻器。
使用分立式元件实现过流保护功能可能存在精度较低、尺寸较大和响应时间较长等缺点。为减小浪涌电流，分立式实现通过在 PMOS FET 的源极与栅极之间连接电容器来利用 RC 延迟。虽然该过程有助于通过降低 PMOS 的开关速度来减小浪涌电流，但由于输出电压上升时间的非线性行为，RC 延迟使电流峰值难以控制。
TPS25961 提供快速准确的电流控制保护功能，例如浪涌电流控制、可配置电流限制和输出短路保护。TPS25961 有助于智能电表应用，例如在过流故障和大容量电容充电事件期间限制从 SMPS 汲取的电流，从而防止输入电源崩溃，这对于电表等 EE 非常重要。
多种因素会导致 FET 结温升高，包括高电流负载、启动期间的大浪涌电流或输出短路等故障情况。集成 FET 结温接近特定阈值时，TPS25961 的热关断功能会将其关闭，从而避免 FET 损坏。相比之下，分立式电路通常不含 pass FET 热保护。如果分立式保护设计不当，在应力事件中，FET 可能会因过载而短路并损坏下游负载或外设。
与分立式电源路径保护设计相比，TPS25961 性能更高，设计尺寸更小。TPS25961 具有各种系统级优势，例如减小无线耳塞充电盒尺寸、充分减少过度设计、防止 SMPS 崩溃以及确保安全摄像头具有稳健可靠的电源路径。