TPSM84624電源模塊：高效集成的電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天我們要介紹的是德州儀器（TI）的TPSM84624電源模塊，它為眾多應(yīng)用提供了高效、可靠的電源解決方案。

文件下載：tpsm84624.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPSM84624是一款輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至10V，最大輸出電流為6A的電源模塊。它采用了集成電感的電源解決方案，將6A的DC/DC轉(zhuǎn)換器、功率MOSFET、屏蔽電感和無(wú)源元件集成在一個(gè)7.5mm × 7.5mm × 5.3mm的QFM封裝中，所有引腳都可從封裝周邊訪問(wèn)，方便進(jìn)行PCB布局。

二、產(chǎn)品特性

1. 高效集成

集成電感的設(shè)計(jì)大大減少了外部元件的數(shù)量，使得設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔。同時(shí)，該模塊具有高達(dá)96%的效率，能夠有效降低功耗，提高系統(tǒng)的能源利用率。

2. 寬輸入輸出電壓范圍

4.5V至17V的輸入電壓范圍和0.6V至10V的輸出電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)論是電信和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，還是企業(yè)交換和存儲(chǔ)應(yīng)用，TPSM84624都能提供穩(wěn)定的電源輸出。

3. 可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可在200kHz至1.6MHz之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，用戶可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求選擇合適的頻率，以優(yōu)化效率和性能。此外，該模塊還支持與外部時(shí)鐘同步，方便在多模塊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步操作。

4. 超快負(fù)載階躍響應(yīng)

TurboTrans?功能可實(shí)現(xiàn)超快的負(fù)載階躍響應(yīng)，在負(fù)載變化時(shí)能夠快速調(diào)整輸出電壓，減少輸出電壓的偏差，同時(shí)降低對(duì)外部輸出電容的需求。

5. 其他特性

• Power-Good輸出：用于指示輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，方便系統(tǒng)進(jìn)行電源監(jiān)控和管理。
• EMI性能：滿足EN55011 Class B輻射EMI限制，減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 寬工作溫度范圍：工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C至 +105°C，結(jié)溫范圍為 -40°C至 +150°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。

三、引腳配置與功能

TPSM84624采用24引腳的QFM封裝，各引腳具有不同的功能，以下是一些主要引腳的介紹：

• AGND：模擬地，為內(nèi)部參考和邏輯提供零電壓參考，應(yīng)通過(guò)PCB上的模擬接地平面相互連接。
• EN：使能引腳，浮空或拉高可使能設(shè)備，通過(guò)連接電阻分壓器可實(shí)現(xiàn)可調(diào)欠壓鎖定和遲滯功能。
• FB：反饋輸入引腳，用于連接輸出電壓反饋電阻分壓器，以調(diào)節(jié)輸出電壓。
• PGND：功率地，是設(shè)備功率級(jí)的返回電流路徑，應(yīng)通過(guò)PCB上的功率接地平面連接到輸入源、負(fù)載和旁路電容。
• PGOOD：Power-Good標(biāo)志輸出，開漏輸出，當(dāng)輸出電壓超出PGOOD閾值、VIN低于UVLO閾值、EN為低電平、設(shè)備處于熱關(guān)斷或軟啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該引腳輸出低電平。
• RT/CLK：開關(guān)頻率設(shè)置引腳，在RT模式下，通過(guò)外部定時(shí)電阻調(diào)節(jié)開關(guān)頻率；在CLK模式下，設(shè)備與外部時(shí)鐘輸入同步。
• SS/TR：軟啟動(dòng)和跟蹤引腳，連接外部電容可調(diào)整輸出電壓的軟啟動(dòng)斜坡，施加電壓可實(shí)現(xiàn)跟蹤和順序控制。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

TPSM84624的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了設(shè)備能夠承受的最大應(yīng)力，例如輸入電壓范圍為 -0.3V至19V，EN、PGOOD、SS/TRK、RT/CLK、FB引腳的電壓范圍為 -0.3V至6.5V等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保設(shè)備的工作條件不超過(guò)這些額定值，以避免對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

2. ESD額定值

該模塊具有一定的靜電放電（ESD）保護(hù)能力，人體模型（HBM）的ESD額定值為 +1500V，帶電器件模型（CDM）的ESD額定值為 ±1250V。在使用過(guò)程中，仍需注意靜電防護(hù)，避免ESD對(duì)設(shè)備造成損害。

3. 推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至10V，輸出電流最大為6A。在這些條件下，設(shè)備能夠穩(wěn)定工作，并發(fā)揮最佳性能。

4. 熱信息

TPSM84624的熱性能參數(shù)包括結(jié)到環(huán)境的熱阻（RθJA）、結(jié)到頂部的表征參數(shù)（ψJT）和結(jié)到板的表征參數(shù)（ψJB）。這些參數(shù)可用于評(píng)估設(shè)備在不同工作條件下的溫度分布，從而進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)。

5. 電氣特性

在 -40°C至 +105°C的環(huán)境溫度下，當(dāng)VIN = 12V，VOUT = 1.2V，IOUT = IOUT max，fsw = 450kHz時(shí)，該模塊具有良好的電氣性能。例如，輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓調(diào)整范圍為0.6V至10V，效率最高可達(dá)96%等。

6. 開關(guān)特性

開關(guān)頻率范圍為200kHz至1.6MHz，最小導(dǎo)通時(shí)間為140ns，最小關(guān)斷時(shí)間為100ns。這些特性對(duì)于設(shè)計(jì)開關(guān)電源的控制策略非常重要。

五、詳細(xì)特性描述

1. 輸出電壓調(diào)節(jié)

通過(guò)連接到FB引腳的電阻分壓器可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行編程，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為0.6V至10V。推薦的RFBT值為10kΩ，RFBB的值可以通過(guò)公式計(jì)算或從標(biāo)準(zhǔn)組件值表中選擇。

2. 開關(guān)頻率設(shè)置

開關(guān)頻率可以通過(guò)連接在RT引腳和AGND之間的電阻（RRT）進(jìn)行設(shè)置，也可以與外部時(shí)鐘同步。在選擇開關(guān)頻率時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備的輸出電壓設(shè)置和工作輸入電壓進(jìn)行合理選擇。

3. 同步功能

TPSM84624的開關(guān)頻率可以與200kHz至1.6MHz的外部時(shí)鐘同步。內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）可以實(shí)現(xiàn)同步功能，并在RT模式和CLK模式之間輕松切換。

4. 輸出開/關(guān)控制

EN引腳提供設(shè)備的電氣開/關(guān)控制。當(dāng)EN引腳電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)，設(shè)備開始工作；當(dāng)EN引腳電壓低于閾值電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)并進(jìn)入低工作電流狀態(tài)。

5. 輸入電容選擇

TPSM84624需要至少20μF的陶瓷輸入電容，對(duì)于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，建議額外增加100μF的非陶瓷電容。輸入電容的電壓額定值應(yīng)大于最大輸入電壓，以確保設(shè)備的正常工作。

6. 輸出電容選擇

輸出電容的最小需求量取決于輸出電壓，可由陶瓷電容或陶瓷與低ESR聚合物電容的組合組成。在選擇輸出電容時(shí)，需要考慮電容的質(zhì)量、電容值和ESR等因素，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)化的瞬態(tài)性能。

7. TurboTrans功能

TurboTrans功能可以優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)減少滿足目標(biāo)電壓偏差規(guī)格所需的外部輸出電容數(shù)量。通過(guò)在TT引腳和AGND之間連接TurboTrans電阻（RTT），可以根據(jù)輸出電容的數(shù)量和類型來(lái)設(shè)置TPSM84624的響應(yīng)。

8. 欠壓鎖定（UVLO）

TPSM84624在VIN引腳上實(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)備將被禁用。用戶可以通過(guò)在EN引腳添加外部電阻分壓器來(lái)調(diào)整UVLO閾值。

9. 軟啟動(dòng)（SS/TR）

將SS/TR引腳懸空可啟用約1.25ms的內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間間隔，通過(guò)在SS引腳和AGND之間添加額外的電容可以增加軟啟動(dòng)時(shí)間，減少輸入源的浪涌電流和設(shè)備在充電輸出電容時(shí)的電流。

10. 順序控制（SS/TR）

通過(guò)使用SS/TR、EN和PGOOD引腳，可以實(shí)現(xiàn)多種常見的電源順序控制方法。例如，將第一個(gè)設(shè)備的PGOOD引腳連接到第二個(gè)設(shè)備的EN引腳，可以在主電源達(dá)到穩(wěn)定后啟用第二個(gè)電源。

11. Power Good（PGOOD）

PGOOD引腳是一個(gè)開漏輸出，需要外部上拉電阻才能輸出高電平。當(dāng)輸出電壓在設(shè)定點(diǎn)電壓的91%至106%之間，且SS/TR大于0.75V時(shí)，PGOOD引腳釋放下拉并浮空。

12. 安全啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出

該設(shè)備設(shè)計(jì)用于防止低側(cè)MOSFET對(duì)預(yù)偏置輸出進(jìn)行放電。在單調(diào)預(yù)偏置啟動(dòng)過(guò)程中，低側(cè)MOSFET在SS/TR引腳電壓高于FB引腳電壓且高側(cè)MOSFET開始切換之前不允許吸收電流。

13. 過(guò)流保護(hù)

TPSM84624通過(guò)逐周期電流限制來(lái)保護(hù)設(shè)備免受負(fù)載故障引起的過(guò)流情況。在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流情況下，設(shè)備將進(jìn)入打嗝模式，以減少功耗。

14. 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)170°C時(shí)，內(nèi)部熱關(guān)斷電路將強(qiáng)制設(shè)備停止切換。當(dāng)結(jié)溫下降到155°C以下時(shí)，設(shè)備將重新啟動(dòng)。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

TPSM84624是一款固定頻率、同步降壓DC/DC電源模塊，可將較高的DC電壓轉(zhuǎn)換為較低的DC電壓，最大輸出電流為6A。用戶可以使用設(shè)計(jì)程序選擇組件，也可以使用WEBENCH?軟件生成完整的設(shè)計(jì)。

2. 典型應(yīng)用

TPSM84624只需要幾個(gè)外部組件就可以將寬輸入電壓范圍轉(zhuǎn)換為寬范圍的輸出電壓。在典型應(yīng)用中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的輸入電容、輸出電容、開關(guān)頻率設(shè)置電阻和TurboTrans電阻等組件。

七、電源供應(yīng)建議

TPSM84624設(shè)計(jì)用于在4.5V至17V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸入電源必須具有良好的調(diào)節(jié)能力，能夠承受最大輸入電流并保持穩(wěn)定的電壓。如果輸入電源距離TPSM84624較遠(yuǎn)，可能需要額外的大容量電容來(lái)減少輸入電流瞬變引起的電壓降。

八、布局設(shè)計(jì)

PCB布局對(duì)于開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要遵循以下布局準(zhǔn)則：

• 使用大面積的銅區(qū)域作為電源平面（VIN、VOUT和PGND），以減少傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 將陶瓷輸入和輸出電容靠近設(shè)備引腳放置，以減少高頻噪聲。
• 在陶瓷電容和負(fù)載之間放置額外的輸出電容。
• 保持AGND和PGND分開，通過(guò)內(nèi)部連接。
• 將RFBB、RRT和Css盡可能靠近各自的引腳放置。
• 使用多個(gè)過(guò)孔將電源平面（VIN、VOUT和PGND）連接到內(nèi)部層。

九、設(shè)備與文檔支持

1. 設(shè)備支持

TI提供了豐富的設(shè)備支持資源，包括WEBENCH? Power Designer工具，用戶可以使用該工具創(chuàng)建自定義設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行電氣和熱仿真。

2. 文檔更新通知

用戶可以在ti.com上注冊(cè)，以接收文檔更新的通知，及時(shí)了解產(chǎn)品信息的變化。

3. 社區(qū)資源

TI的E2E?在線社區(qū)為工程師提供了一個(gè)交流和協(xié)作的平臺(tái)，用戶可以在社區(qū)中提問(wèn)、分享知識(shí)和解決問(wèn)題。

十、總結(jié)

TPSM84624電源模塊以其高效集成、寬輸入輸出電壓范圍、可調(diào)節(jié)開關(guān)頻率、超快負(fù)載階躍響應(yīng)等特性，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的電源解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局和遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可以充分發(fā)揮該模塊的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。你在使用TPSM84624電源模塊時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題？你是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。