TPSM53604：高效集成電源模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。德州儀器（Texas Instruments）的TPSM53604電源模塊，以其高度集成的特性和出色的性能，成為眾多應(yīng)用場景的理想選擇。本文將深入介紹TPSM53604的特點(diǎn)、應(yīng)用、詳細(xì)參數(shù)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助電子工程師更好地了解和使用這款電源模塊。

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產(chǎn)品概述

TPSM53604是一款高度集成的4 - A電源解決方案，采用了36 - V輸入的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，將功率MOSFET、屏蔽電感和無源元件集成在一個(gè)熱增強(qiáng)型QFN封裝中。其5mm x 5.5mm x 4mm的15引腳封裝，運(yùn)用了Enhanced HotRod QFN技術(shù)，不僅具有出色的熱性能，還擁有小尺寸和低EMI的優(yōu)勢。

產(chǎn)品特性

1. 功能安全能力：具備功能安全能力，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2. 小巧封裝與低EMI：采用5mm × 5.5mm × 4mm的Enhanced HotRod? QFN封裝，是業(yè)界最小的36 - V、4 - A封裝，單面解決方案尺寸僅為(85 ~mm^{2})，且滿足CISPR11輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，具有低EMI特性。
3. 優(yōu)秀的熱性能：在85°C環(huán)境下，無需氣流，輸出功率可達(dá)20W。
4. 標(biāo)準(zhǔn)引腳布局：引腳布局標(biāo)準(zhǔn)，所有引腳可從周邊訪問，底部有單個(gè)大散熱焊盤，便于布局和制造。
5. 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3.8 V至36 V，輸出電壓范圍為1 V至7 V。
6. 高效率：效率高達(dá)95%。
7. 豐富的保護(hù)功能：具備電源良好標(biāo)志、精密使能、內(nèi)置打嗝模式短路保護(hù)、過溫保護(hù)、預(yù)偏置輸出啟動、軟啟動和欠壓鎖定等功能。
8. 寬工作溫度范圍：工作IC結(jié)溫范圍為–40°C至 +125°C，工作環(huán)境溫度范圍為–40°C至 +105°C，且經(jīng)過沖擊和振動測試（Mil - STD - 883D）。
9. 引腳兼容：與3 - A TPSM53603和2 - A TPSM53602引腳兼容。
10. 設(shè)計(jì)工具支持：可使用WEBENCH? Power Designer進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，還可下載EVM設(shè)計(jì)文件以加快電路板設(shè)計(jì)。

應(yīng)用領(lǐng)域

TPSM53604的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

1. 通用寬輸入電壓電源：適用于各種需要寬輸入電壓范圍的電源應(yīng)用。
2. 工廠自動化和控制：為工廠自動化設(shè)備提供穩(wěn)定的電源支持。
3. 測試和測量：滿足測試和測量設(shè)備對電源的高精度要求。
4. 航空航天和國防：在航空航天和國防領(lǐng)域，其可靠性和穩(wěn)定性得到了充分發(fā)揮。
5. 負(fù)輸出電壓應(yīng)用：可實(shí)現(xiàn)負(fù)輸出電壓的轉(zhuǎn)換。

詳細(xì)參數(shù)

絕對最大額定值

ESD評級

推薦工作條件

熱信息

電氣特性

功能特性詳解

輸出電壓調(diào)整

通過連接到FB引腳（引腳9）的電阻分壓器來設(shè)置TPSM53604的輸出電壓，輸出電壓調(diào)整范圍為1 V至7 V。推薦(R{FBT})的值為10 kΩ，可使用公式(R{F B B}=frac{10}{left(V{OUT }-1right)}(k Omega))計(jì)算(R{FBB})的值。

開關(guān)頻率

TPSM53604的開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)定為1.4 MHz，不可調(diào)整。在負(fù)載電流足夠高且設(shè)備工作在PWM模式時(shí)，以固定頻率運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載電流下降并切換到PFM模式時(shí)，開關(guān)頻率降低，從而降低功耗。

輸入電容

TPSM53604需要至少20 μF（2 × 10 μF）的陶瓷輸入電容，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R陶瓷電容，且電壓額定值應(yīng)大于最大輸入電壓。對于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，建議額外增加47 μF的非陶瓷電容。

輸出電容

根據(jù)輸出電壓的不同，TPSM53604所需的最小輸出電容也不同。在選擇陶瓷電容時(shí)，需要考慮DC偏置和溫度變化的影響。當(dāng)增加額外電容時(shí)，可以選擇陶瓷類型、低ESR聚合物類型或兩者結(jié)合。

輸出開/關(guān)使能（EN）

EN引腳提供設(shè)備的電氣開/關(guān)控制，具有精確的閾值。當(dāng)(V{EN } ≥V{EN-LDOH })時(shí)，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，為內(nèi)部LDO供電但不產(chǎn)生輸出電壓；當(dāng)EN電壓增加到(V{EN-H})時(shí)，設(shè)備完全啟用，進(jìn)入啟動模式并開始軟啟動周期；當(dāng)EN輸入低于(V_{EN-H})減去(VEN - HYS)時(shí)，調(diào)節(jié)器停止運(yùn)行并進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng)EN電壓進(jìn)一步降低到低于(VEN - LDO - L)時(shí)，設(shè)備完全關(guān)閉。

可編程欠壓鎖定（UVLO）

TPSM53604在VIN引腳實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部UVLO電路，當(dāng)VIN引腳電壓低于內(nèi)部VIN UVLO閾值時(shí)，設(shè)備禁用。內(nèi)部VIN UVLO上升閾值典型值為3.55 V，典型遲滯為500 mV。如果應(yīng)用需要更高的UVLO閾值，可以在VIN、EN引腳和AGND之間放置一個(gè)電阻分壓器。

電源良好（PGOOD）

TPSM53604具有內(nèi)置的電源良好信號（PGOOD），用于指示輸出電壓是否在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。PGOOD引腳是一個(gè)開漏輸出，需要一個(gè)上拉電阻連接到18 V或更低的標(biāo)稱電壓源，內(nèi)部5 - V LDO輸出（V5V引腳）可作為上拉電壓源。當(dāng)輸出電壓上升到設(shè)定電壓的94%以上時(shí)，PGOOD引腳上升到上拉電壓水平；當(dāng)輸出電壓下降到低于標(biāo)稱設(shè)定電壓的92%或上升到高于107%時(shí)，PGOOD引腳被拉低。

輕載操作

在輕載條件下，設(shè)備會開啟高端MOSFET，直到電感電流達(dá)到約1 A的受控最小值。當(dāng)輸入電壓降低，(V{IN })和(Vout)之間的電壓裕量減小時(shí)，達(dá)到該最小電流所需的時(shí)間增加，導(dǎo)致輸出電壓紋波增大。為消除這種現(xiàn)象，可以使用EN UVLO功能保持(V{OUT })以上至少1 V的裕量，或者在輕載且(V{IN })到(V{OUT })裕量非常低的應(yīng)用中增加額外的輸出電容來降低輸出電壓紋波。

電壓降

電壓降是指在提供額定輸出電流時(shí)，維持輸出電壓調(diào)節(jié)所需的輸入電壓與輸出電壓之間的差值。為確保TPSM53604在工作溫度范圍內(nèi)維持輸出電壓調(diào)節(jié)，最小(V{IN })為3.8 V或((V{OUT }+1 ~V))，取較大值。當(dāng)壓降電壓低于上述推薦值時(shí)，TPSM53604會進(jìn)入頻率折返模式，降低開關(guān)頻率以維持輸出電壓調(diào)節(jié)。

過流保護(hù)（OCP）

TPSM53604具備過流保護(hù)功能，對于過載采用逐周期電流限制，對于短路采用打嗝模式。如果輸出出現(xiàn)故障情況，打嗝模式會被激活，該模式可降低嚴(yán)重過流條件下的功耗，防止設(shè)備過熱和潛在損壞。在打嗝模式下，調(diào)節(jié)器關(guān)閉并保持94 ms（典型值），然后嘗試再次啟動。如果過流或短路故障仍然存在，打嗝模式將重復(fù)，直到故障條件消除。故障消除后，模塊將自動恢復(fù)正常軟啟動上電。

熱關(guān)斷

內(nèi)部熱關(guān)斷電路在結(jié)溫超過典型值165°C時(shí)，會強(qiáng)制設(shè)備停止開關(guān)操作。當(dāng)結(jié)溫下降到典型值148°C以下時(shí)，設(shè)備重新啟動上電序列。

設(shè)備功能模式

主動模式

當(dāng)VIN高于開啟閾值且EN引腳電壓高于EN高閾值時(shí)，TPSM53604處于主動模式。將EN引腳連接到VIN是啟用該設(shè)備的最直接方式，當(dāng)輸入電壓在3.8 V至36 V的工作范圍內(nèi)時(shí)，設(shè)備可自動啟動。在VIN、EN和AGND之間連接一個(gè)電阻分壓器，可以調(diào)整UVLO，延遲開啟直到(V_{IN })接近其調(diào)節(jié)電壓。

自動模式

在自動模式下，設(shè)備會根據(jù)負(fù)載變化在脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）之間切換。輕載時(shí)，調(diào)節(jié)器工作在PFM模式；重載時(shí)，模式切換到PWM模式。設(shè)備從PFM切換到PWM的典型負(fù)載電流取決于輸入電壓和輸出電壓。在PWM模式下，調(diào)節(jié)器以恒定頻率運(yùn)行，通過PWM調(diào)節(jié)輸出電壓，具有良好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力以及低輸出電壓紋波；在PFM模式下，高端MOSFET以一個(gè)或多個(gè)脈沖的突發(fā)形式開啟，為負(fù)載提供能量，通過調(diào)整突發(fā)頻率來調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)采用二極管仿真以最大化效率，該模式在輕載時(shí)具有較高的效率，但輸出電壓紋波較大且開關(guān)頻率可變。

關(guān)斷模式

EN引腳為TPSM53604提供電氣開/關(guān)控制。當(dāng)EN引腳電壓低于EN低閾值時(shí)，設(shè)備處于關(guān)斷模式，待機(jī)電流典型值為5 μA。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

TPSM53604是一款同步降壓DC/DC電源模塊，用于將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，最大輸出電流為4 A。它可以配置為負(fù)輸出電壓、反相降壓 - 升壓（IBB）拓?fù)?。設(shè)計(jì)時(shí)可以使用WEBENCH?軟件生成完整的設(shè)計(jì)，該軟件采用迭代設(shè)計(jì)過程并訪問全面的組件數(shù)據(jù)庫。

典型應(yīng)用

TPSM53604只需幾個(gè)外部組件即可將寬輸入電壓范圍轉(zhuǎn)換為寬范圍的輸出電壓。以一個(gè)輸入電壓為24 V，輸出電壓為5 V，輸出電流額定值為4 A的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 使用WEBENCH?工具進(jìn)行定制設(shè)計(jì)：
   • 輸入輸入電壓（(V_{IN})）、輸出電壓（(Vout)）和輸出電流（(IOUT)）要求。
   • 使用優(yōu)化器撥盤優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，如效率、尺寸和成本。
   • 將生成的設(shè)計(jì)與德州儀器的其他可能解決方案進(jìn)行比較。
   • WEBENCH Power Designer提供定制的原理圖以及帶有實(shí)時(shí)定價(jià)和組件可用性的材料清單，還可以進(jìn)行電氣和熱仿真，導(dǎo)出定制的原理圖和布局到流行的CAD格式，打印設(shè)計(jì)的PDF報(bào)告并與同事分享。
2. 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：通過電阻分壓器外部調(diào)整TPSM53604的輸出電壓，推薦(R_{FBT})的值為10