電子工程師干貨：TPSM843A22模塊深度解析與設(shè)計(jì)指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的選擇和應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一款高性能的同步降壓模塊——TPSM843A22，它由德州儀器（TI）推出，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、TPSM843A22模塊概述

TPSM843A22是一款專(zhuān)為4 - 18V輸入、12A負(fù)載設(shè)計(jì)的模塊。它采用固定頻率的先進(jìn)電流模式（ACM）控制架構(gòu)，集成了兩個(gè)N溝道MOSFET、電感和多個(gè)無(wú)源元件，具備寬輸入電壓范圍（4V - 18V）和輸出電壓范圍（0.5V - 7V），最大工作結(jié)溫可達(dá)125°C，非常適合高溫環(huán)境下的應(yīng)用，如無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施、有線(xiàn)光模塊以及測(cè)試測(cè)量設(shè)備等。

二、模塊特性亮點(diǎn)

2.1 控制模式與頻率選擇

• 先進(jìn)電流模式控制：ACM是一種模擬峰值電流模式控制拓?fù)?，無(wú)需復(fù)雜的外部補(bǔ)償設(shè)計(jì)，就能支持穩(wěn)定的靜態(tài)和瞬態(tài)操作。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(shí)具備高信噪比和良好的抗噪能力。
• 多頻率選擇：通過(guò)將電阻從SYNC/FSEL引腳連接到AGND，可選擇五種開(kāi)關(guān)頻率（500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz），方便在選擇輸出濾波組件時(shí)優(yōu)化效率和尺寸。此外，還能將開(kāi)關(guān)頻率同步到外部時(shí)鐘。

2.2 電壓與啟動(dòng)特性

• 高精度電壓基準(zhǔn)：在全溫度范圍內(nèi)，0.5V的電壓基準(zhǔn)精度可達(dá)±0.5%。
• 軟啟動(dòng)與預(yù)偏置輸出啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，設(shè)備將參考電壓從0緩慢增加到最終值，減少涌入電流。有1ms、2ms、4ms和8ms四種軟啟動(dòng)時(shí)間可選。在預(yù)偏置輸出啟動(dòng)時(shí)，可防止電流從輸出端放電。

2.3 保護(hù)功能

• 過(guò)流保護(hù)：通過(guò)逐周期電流限制，對(duì)高端和低端MOSFET進(jìn)行保護(hù)。在過(guò)流情況下，設(shè)備會(huì)進(jìn)入打嗝模式。
• 過(guò)壓和欠壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到過(guò)壓時(shí)，設(shè)備會(huì)嘗試將輸出電壓放電到安全水平后重啟；檢測(cè)到欠壓時(shí)，設(shè)備會(huì)進(jìn)入打嗝模式，等待七個(gè)軟啟動(dòng)周期后重啟。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)管芯溫度超過(guò)165°C時(shí)，設(shè)備關(guān)閉；溫度冷卻到滯后水平以下（通常降低12°C）時(shí)，設(shè)備重啟。

2.4 其他特性

• 真差分遠(yuǎn)程感測(cè)放大器（RSA）：可精確調(diào)節(jié)輸出電壓。
• 電源良好輸出監(jiān)控（PG）：方便監(jiān)控輸出狀態(tài)。

三、引腳配置與功能

TPSM843A22采用25引腳的B3QFN - RDG封裝，各引腳功能如下：

• VOUT（1,20）：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
• FB（2）：反饋引腳，連接到電阻分壓器中點(diǎn)以設(shè)置輸出電壓。
• GOSNS（3）：接地感測(cè)返回和差分遠(yuǎn)程感測(cè)放大器的輸入。
• AGND（4）：模擬接地返回。
• BP5（5）：內(nèi)部模擬控制電路的旁路引腳，內(nèi)部已旁路，無(wú)需外部旁路。
• VIN（6,7,14,15,23）：功率級(jí)的輸入電源，需低阻抗旁路到PGND。
• PGND（8,9,12,13,21,22,24,25）：功率級(jí)的接地返回，部分引腳可作為散熱過(guò)孔。
• SW（10）：轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，保持浮空。
• BOOT（11）：內(nèi)部高端MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器的電源，保持浮空。
• EN（16）：使能引腳，可通過(guò)浮空、拉高、外部信號(hào)或使用UVLO電阻來(lái)使能設(shè)備。
• PG（17）：開(kāi)漏電源良好指示器。
• SYNC/FSEL（18）：頻率選擇和外部時(shí)鐘同步引腳。
• MSEL（19）：通過(guò)連接到AGND的電阻選擇電流限制、軟啟動(dòng)速率和PWM斜坡幅度設(shè)置。

四、規(guī)格參數(shù)詳解

4.1 絕對(duì)最大額定值

了解這些參數(shù)對(duì)于確保設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。例如，VIN引腳電壓范圍為 - 0.3V至20V，VOUT引腳電壓范圍為 - 0.3V至7V等。操作超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

4.2 ESD額定值

該模塊的人體模型（HBM）靜電放電額定值為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±500V，在使用和處理時(shí)需注意靜電防護(hù)。

4.3 推薦工作條件

• 輸入電壓范圍：4V - 18V。
• 輸出電壓范圍：0.5V - 7V。
• 輸出電流范圍：最大12A。

4.4 熱信息

包括結(jié)到環(huán)境熱阻（RBJA = 13.2°C/W）、結(jié)到頂部表征參數(shù)（WJT = 0.3°C/W）和結(jié)到板表征參數(shù)（YJB = 5.5°C/W），這些參數(shù)有助于進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

4.5 電氣特性

涵蓋了各種參數(shù)，如VIN工作非開(kāi)關(guān)電源電流、VIN關(guān)斷電源電流、VIN UVLO上升閾值等，為電路設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的參考。

五、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

以1.0V輸出、1MHz應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)步驟：

5.1 開(kāi)關(guān)頻率選擇

TPSM843A22可在500kHz - 2.2MHz的五個(gè)頻率中選擇。通常，選擇較高的開(kāi)關(guān)頻率可減小解決方案尺寸，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)功率損耗。在本案例中，綜合考慮選擇1000kHz的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)將11.8kΩ電阻連接到FSEL引腳來(lái)設(shè)置。

5.2 輸出電感選擇

模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的電感，在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需額外選擇。

5.3 輸出電容選擇

• 考慮因素：主要考慮輸出電壓紋波和調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載電流大變化的響應(yīng)。
• 計(jì)算方法：通過(guò)多個(gè)公式計(jì)算最小輸出電容，確保滿(mǎn)足負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和輸出電壓紋波要求。在本案例中，選擇四個(gè)100μF、10V、X5R、1210陶瓷電容器并聯(lián)。

5.4 輸入電容選擇

輸入去耦陶瓷電容器（X5R、X7R或類(lèi)似類(lèi)型）需盡可能靠近IC放置。本案例中，選用了多種電容并聯(lián)，以滿(mǎn)足輸入電壓紋波要求。

5.5 其他參數(shù)設(shè)置

• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：通過(guò)外部電阻分壓器調(diào)整UVLO閾值。
• 輸出電壓電阻選擇：使用電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。
• 自舉電容選擇：模塊內(nèi)部集成了0.1μF陶瓷電容器，可根據(jù)需要添加串聯(lián)電阻。
• BP5電容選擇：模塊內(nèi)部集成了2.2μF和0.1μF陶瓷電容器。
• PG上拉電阻：使用10kΩ電阻上拉功率良好信號(hào)。
• 電流限制選擇：根據(jù)負(fù)載情況選擇合適的電流限制設(shè)置。
• 軟啟動(dòng)時(shí)間選擇：根據(jù)負(fù)載需求選擇軟啟動(dòng)時(shí)間。
• 斜坡選擇和控制回路穩(wěn)定性：通過(guò)計(jì)算LC雙極點(diǎn)頻率和fSW/fLC比值，選擇合適的斜坡設(shè)置，并可使用前饋電容改善瞬態(tài)響應(yīng)。

六、布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 布局準(zhǔn)則

• 加寬關(guān)鍵走線(xiàn)：將VIN、PGND和SW走線(xiàn)盡可能加寬，以降低走線(xiàn)阻抗并改善散熱。
• 使用過(guò)孔：在PGND和VIN引腳附近使用多個(gè)過(guò)孔，通過(guò)內(nèi)部層連接以降低阻抗。
• 合理放置電容：將高頻旁路電容盡可能靠近設(shè)備放置，剩余輸入電容可放置在電路板另一側(cè)，但要使用多個(gè)過(guò)孔降低阻抗。
• 優(yōu)化其他元件布局：將電感靠近設(shè)備放置，F(xiàn)B分壓器底部電阻靠近FB和GOSNS引腳，F(xiàn)SEL和MSEL電阻連接到安靜的AGND島。

6.2 布局示例

參考提供的PCB布局示例，確保布局符合設(shè)計(jì)要求。

七、總結(jié)

TPSM843A22模塊憑借其豐富的特性和良好的性能，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇各項(xiàng)參數(shù)，并嚴(yán)格遵循布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保模塊的穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)的高性能。希望本文能為大家在使用TPSM843A22模塊時(shí)提供有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。