TPSM843620E：高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款高性能的同步降壓轉(zhuǎn)換器——TPSM843620E。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM843620E是一款高度集成的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，采用MicroSiP電源模塊封裝，具有諸多出色的特性，適用于多種應(yīng)用場景。它的輸入電壓范圍為4V至18V，輸出電壓范圍為0.5V至5.5V，能夠提供高達(dá)6A的輸出電流，最大工作結(jié)溫可達(dá)125°C，非常適合高環(huán)境溫度的應(yīng)用，如無線基礎(chǔ)設(shè)施、有線通信設(shè)備、光學(xué)模塊、測試測量、醫(yī)療保健以及航空航天和國防等領(lǐng)域。

二、產(chǎn)品特性亮點

（一）先進(jìn)的控制模式

采用固定頻率、內(nèi)部補償?shù)南冗M(jìn)電流模式（ACM）控制。ACM是一種模擬峰值電流控制拓?fù)洌瑹o需復(fù)雜的外部補償設(shè)計就能支持穩(wěn)定的靜態(tài)和瞬態(tài)操作。其內(nèi)部斜坡生成網(wǎng)絡(luò)模擬電感電流信息，可使用低ESR輸出電容器，如多層陶瓷電容器（MLCC），同時內(nèi)部斜坡還能提供高信噪比，增強抗噪能力。此外，它還有三種斜坡選項，只需一個連接到AGND的電阻，就能針對不同的電感和輸出電容組合優(yōu)化內(nèi)部環(huán)路。

（二）靈活的參數(shù)選擇

1. 開關(guān)頻率：提供五種可選的開關(guān)頻率，分別為500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz，可通過連接在SYNC/FSEL引腳和AGND之間的電阻進(jìn)行選擇，還能同步到外部時鐘。
2. 軟啟動時間：有0.5ms、1ms、2ms和4ms四種軟啟動時間可選，通過MODE引腳連接到AGND的電阻進(jìn)行設(shè)置，能有效減少啟動時的浪涌電流。
3. 電流限制：可選擇高、低兩種電流限制設(shè)置，以支持不同的電流操作需求。

（三）豐富的保護功能

具備輸出過壓、輸出欠壓、輸入欠壓、過流和過溫保護功能，確保在各種異常情況下設(shè)備的安全運行。例如，在過流事件中，會進(jìn)行逐周期電流限制，在持續(xù)過流時進(jìn)入打嗝模式；當(dāng)芯片溫度超過165°C時，設(shè)備會關(guān)閉，溫度下降到滯后水平后重新啟動。

（四）小尺寸封裝

采用3.5mm × 3.5mm × 1.6mm的15引腳DFM封裝MicroSiP電源模塊，集成了25mΩ和6.5mΩ的MOSFET、電感和基本無源元件，大大減小了電路板空間。

三、引腳配置與功能

TPSM843620E的引腳配置清晰，每個引腳都有特定的功能：

• FB引腳：用于輸出電壓調(diào)節(jié)的反饋引腳，通過連接到電阻分壓器的中點來設(shè)置輸出電壓。
• AGND引腳：內(nèi)部模擬電路的接地返回端。
• BP5引腳：內(nèi)部5V穩(wěn)壓器輸出，需用2.2μF電容旁路到AGND。
• PG引腳：開漏電源良好指示器。
• MODE引腳：通過連接到地的電阻選擇電流限制、軟啟動速率和PWM斜坡幅度。
• EN引腳：使能引腳，可浮空使能，也可通過外部信號進(jìn)行使能和禁用，還能通過電阻分壓器調(diào)整輸入欠壓鎖定。
• PGND引腳：功率級的接地返回端，內(nèi)部連接到低端MOSFET的源極。
• VIN引腳：功率級的輸入電源，需對這些引腳到PGND進(jìn)行低阻抗旁路，靠近IC處需連接47nF至100nF的電容。
• SW引腳：模塊的開關(guān)節(jié)點，僅用于監(jiān)測。
• BOOT引腳：內(nèi)部高端MOSFET柵極驅(qū)動器的電源，由于連接到SW引腳的電容已集成，此引腳僅用于監(jiān)測。
• SYNC/FSEL引腳：頻率選擇和外部時鐘同步引腳，通過連接到地的電阻設(shè)置設(shè)備的開關(guān)頻率，也可施加外部時鐘進(jìn)行同步。
• VOUT引腳：降壓輸出電壓，需連接輸出電容到該節(jié)點。
• PAD/PGND引腳：連接到PGND的散熱焊盤。

四、電氣特性

（一）絕對最大額定值

明確了輸入電壓、輸出電壓、工作結(jié)溫、存儲溫度等參數(shù)的最大和最小值，超出這些范圍可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。例如，輸入電壓VIN的范圍為 - 0.3V至20V，工作結(jié)溫范圍為 - 55°C至125°C。

（二）ESD額定值

人體模型（HBM）靜電放電為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±500V，在使用和處理過程中需注意靜電防護。

（三）推薦工作條件

輸入電壓范圍為4V至18V，輸出電壓范圍為0.5V至5.5V，輸出電流最大為6A，外部時鐘頻率范圍為400kHz至2600kHz。

（四）熱信息

結(jié)到環(huán)境的熱阻RθJA為31.2°C/W，結(jié)到電路板的表征參數(shù)ψJB為8.99°C/W，有助于進(jìn)行散熱設(shè)計。

（五）電氣特性參數(shù)

涵蓋了VIN工作非開關(guān)電源電流、VIN關(guān)斷電源電流、VIN欠壓鎖定閾值、使能和欠壓鎖定相關(guān)參數(shù)、內(nèi)部LDO BP5輸出電壓、參考電壓、開關(guān)頻率、同步、軟啟動、功率級、電流感測和過流保護、輸出過壓和欠壓保護、電源良好、打嗝、輸出放電、熱關(guān)斷等多項參數(shù)，為電路設(shè)計提供了詳細(xì)的參考。

五、詳細(xì)工作原理

（一）啟動序列

當(dāng)EN引腳電壓超過閾值電壓且VIN引腳電壓超過VIN UVLO閾值時，設(shè)備開始啟動序列。首先，BP5 LDO啟用并對外部BP5電容充電，BP5引腳電壓超過UVLO閾值后，進(jìn)入約600μs的上電延遲，期間確定MODE引腳和SYNC/FSEL引腳的引腳電阻值并初始化控制回路，上電延遲結(jié)束后開始軟啟動。

（二）輸出電壓調(diào)整

通過從輸出（Vout）到FB引腳的電阻分壓器來編程輸出電壓，推薦使用1%公差或更好的分壓電阻。

（三）開關(guān)頻率選擇與同步

開關(guān)頻率可通過連接在SYNC/FSEL引腳和AGND之間的電阻進(jìn)行選擇，也可同步到外部時鐘。當(dāng)外部時鐘存在時，設(shè)備將開關(guān)頻率同步到時鐘；時鐘丟失時，設(shè)備默認(rèn)使用內(nèi)部PWM振蕩器頻率。

（四）斜坡幅度選擇

通過MODE引腳連接到AGND的電阻選擇三種不同的斜坡電容值（1pF、2pF和4pF），較大的斜坡電容會導(dǎo)致較小的斜坡幅度和更高的控制回路帶寬。

（五）軟啟動和預(yù)偏置輸出啟動

啟動時，設(shè)備會軟斜坡參考電壓以減少浪涌電流，有四種軟啟動時間可選。在預(yù)偏置輸出條件下，設(shè)備在啟動的前16個周期以不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）運行，防止輸出放電，確保輸出電壓在軟啟動期間平滑單調(diào)。

（六）電流保護

包括正電感電流保護和負(fù)電感電流保護。正電感電流保護通過對高端和低端MOSFET進(jìn)行逐周期電流限制，在持續(xù)過流時進(jìn)入打嗝模式；負(fù)電感電流保護在低端MOSFET導(dǎo)通時檢測負(fù)電流，超過閾值時立即關(guān)閉低端MOSFET。

（七）輸出過壓和欠壓保護

檢測到過壓時，設(shè)備嘗試將輸出電壓放電到安全水平后重新啟動；檢測到欠壓時，設(shè)備進(jìn)入打嗝模式，等待七個軟啟動周期后重新啟動。

（八）過溫保護

當(dāng)芯片溫度超過165°C時，設(shè)備關(guān)閉，溫度下降到滯后水平（通常為12°C）后重新啟動。

（九）輸出電壓放電

在故障條件下，高側(cè)FET和低側(cè)FET禁用時，輸出電壓放電模式啟用，通過打開從SW到PGND的放電FET來放電輸出電壓。

六、應(yīng)用與設(shè)計實例

（一）典型應(yīng)用電路

以12V輸入、1.0V輸出、1MHz的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了設(shè)計過程：

1. 開關(guān)頻率選擇：考慮設(shè)計尺寸和效率，選擇1000kHz的開關(guān)頻率，通過11.8kΩ的FSEL電阻設(shè)置。同時要考慮最小導(dǎo)通時間和最小關(guān)斷時間對開關(guān)頻率的限制。
2. 輸出電感選擇：模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的470nF電感。
3. 輸出電容選擇：根據(jù)輸出電壓紋波和負(fù)載電流變化響應(yīng)等因素選擇輸出電容值。需考慮負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、電感電流斜率限制、輸出電壓紋波規(guī)范以及控制回路穩(wěn)定性等要求。最終選擇了一個47μF和三個100μF的陶瓷電容并聯(lián)，以滿足設(shè)計需求。
4. 輸入電容選擇：使用X5R、X7R等類型的陶瓷電容從VIN到PGND進(jìn)行輸入去耦，靠近IC放置，總電容至少10μF，部分應(yīng)用可能需要大容量電容。
5. 可調(diào)欠壓鎖定：通過外部電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)整欠壓鎖定閾值，設(shè)置啟動和停止電壓。
6. 輸出電壓電阻選擇：使用1%公差或更好的電阻組成電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。
7. 其他元件選擇：包括集成的0.1uF自舉電容、2.2μF的BP5電容、10kΩ的PGOOD上拉電阻等。
8. 電流限制和軟啟動時間選擇：根據(jù)負(fù)載需求選擇合適的電流限制和軟啟動時間。
9. 斜坡選擇和控制回路穩(wěn)定性：通過MODE引腳選擇合適的斜坡設(shè)置，使用前饋電容改善瞬態(tài)響應(yīng)，同時要注意增益裕度和噪聲影響。

（二）布局指南

布局對于電源設(shè)計至關(guān)重要，需要遵循以下關(guān)鍵準(zhǔn)則：

1. 盡量加寬VIN、PGND和SW走線，以降低走線阻抗并改善散熱。
2. 在VIN引腳到PGND之間靠近設(shè)備放置10nF至100nF的電容，并將剩余的陶瓷輸入電容放置在高頻旁路電容旁邊。
3. 剩余的輸入電容可放置在電路板另一側(cè)，但要使用盡可能多的過孔以最小化電容和IC引腳之間的阻抗。
4. 在PGND引腳附近使用多個過孔，并通過設(shè)備正下方的層將它們連接在一起，以減少噪聲并幫助散熱。
5. 在VIN引腳附近使用過孔，并通過內(nèi)部層提供低阻抗連接。
6. 將BP5電容盡可能靠近BP5和AGND引腳放置。
7. 將FB分壓器的底部電阻盡可能靠近IC的FB和AGND引腳放置，并保持上反饋電阻和前饋電容靠近IC。
8. 在AGND島中使用多個過孔連接回內(nèi)部PGND層，但不要在BP5電容和AGND引腳之間放置過孔。
9. 將FSEL和MODE電阻連接到安靜的AGND島。

七、總結(jié)

TPSM843620E憑借其先進(jìn)的控制模式、靈活的參數(shù)選擇、豐富的保護功能和小尺寸封裝，為電子工程師提供了一個高性能、易于使用的電源解決方案。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)和元件，同時注意布局和散熱設(shè)計，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運行。你在使用類似電源模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。