詳解TPSM846C24：高效電源模塊的設(shè)計與應(yīng)用

作為一名電子工程師，在電源模塊的設(shè)計與應(yīng)用中不斷探索高效、可靠的解決方案至關(guān)重要。今天，我們就來詳細(xì)探討一款高性能的電源模塊——TPSM846C24。

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產(chǎn)品概述

TPSM846C24 是一款 35A 的固定頻率降壓電源模塊，它將控制器、功率 MOSFET、電感和相關(guān)組件集成到一個堅固的、熱增強型表面貼裝封裝中，具有高度集成的特性。其輸入電壓范圍為 4.5V 至 15V，輸出電壓范圍為 0.5V 至 2V，能滿足多種不同的應(yīng)用需求。它的輸出電壓精度高達(dá) 0.5%，可確保穩(wěn)定的供電輸出。該模塊采用 15mm×16mm 的緊湊封裝，最大高度僅為 6.4mm，適合對空間要求較高的設(shè)計。此外，它的開關(guān)頻率范圍為 300kHz 至 1MHz，還支持與外部時鐘同步，能有效減少電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問題。

特性亮點

集成化與兼容性

• 高度集成：將多個關(guān)鍵組件集成于一體，大大簡化了電源設(shè)計，減少了外部組件的數(shù)量，降低了設(shè)計復(fù)雜度和成本。
• 引腳兼容：與 TPSM846C23（PMBus）引腳兼容，方便工程師在不同設(shè)計中進行替換和升級。

可擴展性與性能

• 電流共享疊加：可通過電流共享功能將兩個模塊并聯(lián)，提供高達(dá) 70A 的輸出電流，滿足高功率應(yīng)用需求。
• 出色的輸出表現(xiàn)：輸出電壓精度高，能提供穩(wěn)定的電壓輸出，為負(fù)載設(shè)備提供可靠的電源支持。其輸出電壓范圍靈活，可通過外部電阻進行調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用的電壓要求。

保護與控制功能

• 全面保護機制：具備過流保護、過溫保護、輸出過壓和欠壓保護等功能，能有效保護模塊和負(fù)載設(shè)備，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 多種控制特性：支持差分遠(yuǎn)程感測，可有效補償負(fù)載線路上的電壓降，提高負(fù)載調(diào)節(jié)能力；具備 Power-Good 輸出信號，可用于指示輸出電壓是否在正常范圍內(nèi)，方便系統(tǒng)進行電源管理和故障診斷；預(yù)偏置輸出單調(diào)啟動功能可確保在輸出預(yù)偏置情況下的穩(wěn)定啟動，避免對敏感負(fù)載造成損壞；固定 3ms 的軟啟動/軟停時間可減少啟動和停止過程中的電流沖擊，保護設(shè)備和線路。

其他特性

• 工作范圍廣：工作結(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，能適應(yīng)不同的惡劣環(huán)境。
• 熱性能增強：熱阻低至 8.7°C/W，散熱性能良好，可有效降低模塊溫度，提高可靠性。
• 電磁兼容性：符合 EN55022 Class A 輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，能減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)與通信

• Compact PCI/PCI Express/PXI Express：為這些高速數(shù)據(jù)傳輸接口提供穩(wěn)定的電源，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。
• 寬帶和通信基礎(chǔ)設(shè)施：滿足通信設(shè)備對高效、穩(wěn)定電源的需求，保障通信系統(tǒng)的正常運行。

測試與醫(yī)療

• 自動化測試設(shè)備：為測試設(shè)備提供精確的電源，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
• 醫(yī)療設(shè)備：滿足醫(yī)療設(shè)備對電源的高可靠性和穩(wěn)定性要求，確保醫(yī)療設(shè)備的安全運行。

芯片供電

• DSP、FPGA 和 ASIC 點負(fù)載應(yīng)用：為這些高性能芯片提供穩(wěn)定的電源，滿足其對電源質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

詳細(xì)設(shè)計與應(yīng)用

電容配置

• 輸入電容：為保證模塊正常工作，輸入電容網(wǎng)絡(luò)至少需要四個 22μF（或兩個 47μF）陶瓷電容和一個 330μF 大容量電容。陶瓷電容應(yīng)盡量靠近 VIN 引腳放置，其接地回路必須連接到 TPSM846C24 的 PGND 引腳。這樣的配置可以有效減少輸入電壓的紋波和噪聲，提高電源的穩(wěn)定性。
• 輸出電容：輸出電容網(wǎng)絡(luò)至少需要四個 47μF（或兩個 100μF）陶瓷電容和兩個 470μF 低 ESR 聚合物電容，聚合物電容的總 ESR 不得大于 5mΩ。陶瓷電容應(yīng)盡量靠近模塊的 VOUT 和 PGND 引腳。這種電容配置可以確保良好的瞬態(tài)響應(yīng)和最小的紋波幅度，滿足負(fù)載設(shè)備對電源的動態(tài)響應(yīng)要求。
• 其他電容：模擬電源路徑（VINBP）需要一個 10nF 陶瓷電容和一個 1μF 陶瓷電容組成的旁路網(wǎng)絡(luò)，分別連接到模塊的 50 號和 51 號引腳。模塊的兩個內(nèi)部電源軌也需要旁路電容，6.5V 軌（BP6）需要一個 4.7μF 陶瓷電容，連接到模塊的 48 號和 49 號引腳；3.3V 軌（BP3）需要一個 2.2μF 陶瓷電容，靠近 47 號和 51 號引腳放置。這些電容的合理配置可以為模塊內(nèi)部電路提供穩(wěn)定的電源，減少電源噪聲對模塊性能的影響。

補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

TPSM846C24 需要在 DIFFO 引腳（6 號）和 FB 引腳（7 號）之間連接一個外部串聯(lián)電阻和電容補償網(wǎng)絡(luò)（RCOMP 和 CCOMP）。這些組件的值由總輸出電容和開關(guān)頻率決定，建議使用陶瓷和低 ESR 聚合物電容，并將其盡量靠近模塊放置，遠(yuǎn)離噪聲信號走線。對于不同的輸出電容和開關(guān)頻率，可參考文檔中的推薦值進行選擇，但最終值應(yīng)通過標(biāo)準(zhǔn)電源評估技術(shù)測試系統(tǒng)穩(wěn)定性來確定。合理的補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可以優(yōu)化模塊的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，確保輸出電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

輸出電壓設(shè)置

輸出電壓調(diào)整范圍為 0.5V 至 2V，可通過在 FB 引腳和 AGND 之間連接一個電阻 RSET 來實現(xiàn)。通過公式 (R{SET}=frac{5}{(V{OUT}-0.5)}(k Omega)) 可以計算出給定輸出電壓下的 RSET 值，也可以從文檔中的標(biāo)準(zhǔn) RSET 電阻值表中選擇合適的值。準(zhǔn)確的輸出電壓設(shè)置可以滿足不同負(fù)載設(shè)備對電源電壓的要求，提高系統(tǒng)的兼容性和可靠性。

開關(guān)頻率與同步

• 頻率設(shè)置：模塊默認(rèn)開關(guān)頻率為 500kHz。若要使用默認(rèn)頻率，將 RT_SEL 引腳（14 號）連接到 AGND，RT 引腳（13 號）懸空；若要更改頻率，將 RTSEL 引腳懸空，并將一個電阻 RRT 從 RT 引腳連接到 AGND?？墒褂霉?(R{RT}=frac{18290+(120 × V{IN})}{f{SW}(kHzZ)}(k Omega)) 計算 RRT 電阻值，模塊設(shè)計工作頻率范圍為 300kHz 至 1MHz。合理的開關(guān)頻率設(shè)置可以優(yōu)化模塊的效率和性能，根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的開關(guān)頻率。
• 同步功能：模塊可以與外部時鐘同步，外部時鐘頻率應(yīng)在自由運行頻率的 ±20% 范圍內(nèi)，且為 50% 占空比的方波。在獨立應(yīng)用或并聯(lián)配置中作為主設(shè)備時，SYNC 引腳配置為 SYNC-IN 引腳，電源轉(zhuǎn)換同步到外部時鐘的上升沿；在并聯(lián)配置中作為從設(shè)備時，同步到輸入時鐘的下降沿。同步功能可以減少模塊之間的干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

預(yù)偏置輸出啟動

當(dāng)存在輸出預(yù)偏置情況時，TPSM846C24 可防止在啟動時從輸出端放電。在輸出預(yù)偏置的情況下，直到內(nèi)部軟啟動電壓高于誤差放大器輸入電壓（FB 引腳）時才會產(chǎn)生 PH 脈沖。之后，低側(cè) MOSFET 的導(dǎo)通時間會逐周期緩慢增加，直到產(chǎn)生 128 個脈沖后，同步整流器與高側(cè) MOSFET 完全互補運行。這種啟動方式可以確保輸出電壓的啟動和上升到穩(wěn)定狀態(tài)的過程平穩(wěn)單調(diào)。但如果預(yù)偏置電壓接近或超過 VOUT 設(shè)定點電壓，上述 128 個開關(guān)周期可能會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)非單調(diào)下降，但在完成 128 個周期后，輸出電壓會迅速恢復(fù)到設(shè)定值。

電源良好（PGOOD）指示

模塊內(nèi)置 PGOOD 信號，用于指示輸出電壓是否在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。PGOOD 引腳為開漏輸出，需要一個上拉電阻連接到 5.5V 或更低的電壓源，推薦上拉電阻值在 10kΩ 至 100kΩ 之間。當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定電壓的 95% 時，PGOOD 引腳上升到上拉電壓電平；當(dāng)輸出電壓低于 88% 或高于 112% 的標(biāo)稱設(shè)定電壓時，PGOOD 引腳被拉低。PGOOD 信號可連接到其他設(shè)備的 EN 引腳，實現(xiàn)額外的受控開機和關(guān)機順序控制。需要注意的是，在輸入電壓施加之前，如果 PGOOD 引腳存在上拉電壓，由于未供電狀態(tài)下的下拉能力有限，可能會導(dǎo)致 PGOOD 引腳高于邏輯低電壓電平。若不希望出現(xiàn)這種情況，可以增加上拉電阻或降低外部上拉電源電壓。

線性穩(wěn)壓器 BP3 和 BP6

模塊有兩個板載線性穩(wěn)壓器 BP3 和 BP6，為內(nèi)部電路提供合適的電源。為使轉(zhuǎn)換器正常工作，需要在外部對 BP3 和 BP6 引腳進行旁路電容配置，BP3 引腳需要至少 2.2μF 電容連接到 BP_RTN，BP6 引腳需要至少 4.7μF 電容連接到 BP6_RTN。不建議使用內(nèi)部穩(wěn)壓器為其他電路供電，因為穩(wěn)壓器上的負(fù)載可能會對控制器的運行產(chǎn)生不利影響。旁路電容應(yīng)盡量靠近設(shè)備引腳放置，且返回地的環(huán)路應(yīng)最小化，并遠(yuǎn)離快速開關(guān)電壓和主電流路徑，否則可能會降低穩(wěn)壓器的性能。

并聯(lián)應(yīng)用

兩個 TPSM846C24 模塊可以并聯(lián)使用，以提供高達(dá) 70A 的輸出電流。在并聯(lián)配置中，需要進行多個連接，并且組件選擇與獨立使用時略有不同。其中一個模塊作為主設(shè)備，另一個作為從設(shè)備。將從設(shè)備的 FB 引腳和 BP3 引腳之間連接一個 1kΩ 電阻，同時將兩個模塊的 SYNC、VSHARE 和 ISHARE 引腳按要求連接。兩個模塊共享相同的 VSHARE 電壓，通過連接 VSHARE 引腳，內(nèi)部的 COMP 電壓在兩個模塊之間共享；連接 ISHARE 引腳可比較每個相位的感測電流，并將誤差電流添加到內(nèi)部 COMP 中，然后與 PWM 斜坡進行比較以生成 PWM 脈沖，從而實現(xiàn)電流共享，保持模塊之間的電流平衡。此外，VSHARE 引腳還用于主從設(shè)備之間的故障通信，當(dāng)任何一個模塊遇到故障時，VSHARE 引腳電壓被拉低，另一個模塊會收到警報并相應(yīng)停止開關(guān)操作。在并聯(lián)配置中，主從設(shè)備的 SYNC 引腳需要提供 50% 占空比的時鐘信號，主設(shè)備鎖定時鐘的上升沿，從設(shè)備鎖定下降沿，以確保模塊工作相位相差 180°，最小化紋波。主從模塊都需要有一個 RRT 電阻，其值設(shè)置的開關(guān)頻率應(yīng)在 SYNC 時鐘頻率的 ±20% 范圍內(nèi)。在噪聲較大的系統(tǒng)中，可以在 VSHARE 引腳和地之間添加一個不超過 10pF 的高頻電容。如果工作條件導(dǎo)致導(dǎo)通時間脈沖寬度 ≤150ns，主從模塊的 PH 引腳可能會出現(xiàn)抖動，在 ISHARE 連接之間串聯(lián)一個 10kΩ 電阻有助于減少但可能無法消除抖動。

保護功能

• 過溫保護：內(nèi)置溫度傳感器，當(dāng)檢測到溫度超過內(nèi)部熱關(guān)機閾值 TSD（典型值為 145°C）時，電源轉(zhuǎn)換停止，直到檢測到的結(jié)溫下降熱關(guān)機遲滯 THYST（典型值為 25°C）后才會重新啟動。
• 過流保護：同時具備低側(cè)過流保護和高側(cè)短路保護。在每個開關(guān)周期中，比較低側(cè) MOSFET 的平均電流與故障閾值，當(dāng)高側(cè) MOSFET 的電流超過固定短路閾值時，高側(cè)脈沖會逐周期終止。當(dāng)在一個開關(guān)周期中檢測到低側(cè)過流或高側(cè)短路閾值超過時，計數(shù)器會遞增；若未檢測到過流情況，計數(shù)器會遞減。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到 3 時，宣布過流故障，輸出關(guān)閉并在約 21ms 后重新啟動。
• 輸出過壓和欠壓保護：通過將 FB 引腳電壓與內(nèi)部預(yù)設(shè)電壓進行比較，實現(xiàn)輸出過壓和欠壓保護。當(dāng) FB 引腳電壓高于輸出過壓保護閾值時，設(shè)備停止正常開關(guān)操作，進入連續(xù)重啟打嗝模式；當(dāng) FB 引腳電壓低于輸出欠壓保護閾值時，強制高側(cè)和低側(cè) MOSFET 關(guān)閉，并在重啟前開始打嗝超時延遲。

布局與電源建議

布局準(zhǔn)則

• 電容布局：輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近 VIN 和 PGND 引腳放置，VIN 引腳上的高頻旁路電容可減少開關(guān)尖峰，可放置在 PCB 底部直接位于設(shè)備下方以保持最小環(huán)路。BP6 旁路電容承載著柵極驅(qū)動器的大開關(guān)電流，將 BP6 引腳通過低阻抗路徑旁路到 BP6_RTN 對模塊的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，應(yīng)將 BP6 高頻旁路電容盡量靠近 48 號和 49 號引腳。VINBP 和 BP3 引腳也需要良好的局部旁路電容，應(yīng)盡量靠近設(shè)備引腳和 BP_RTN 放置，否則可能會降低設(shè)備性能。
• 信號組件布局：信號組件如反饋電阻和 RT 電阻應(yīng)盡量靠近連接的引腳，遠(yuǎn)離快速開關(guān)電壓和電流路徑，并以最小的返回環(huán)路連接到 AGND。
• 差分對布線：VS+ 和 VS - 線應(yīng)從負(fù)載端的輸出電容組以緊密耦合的差分對形式路由回設(shè)備引腳，避免靠近開關(guān)或噪聲區(qū)域，以防止引入差模噪聲。
• 并行配置布線：在并行配置中，SYNC、VSHARE 和 ISHARE 走線需要特別注意。SYNC 走線承載著軌到軌信號，應(yīng)遠(yuǎn)離敏感模擬信號；VSHARE 和 ISHARE 走線也應(yīng)遠(yuǎn)離 VIN、PH 和 BP6 引腳形成的快速開關(guān)電壓或電流。

電源建議

模塊設(shè)計工作的輸入電壓范圍為 4.5V 至 15V，電源必須穩(wěn)壓良好，不適合采用分裂軌操作。輸入電源和內(nèi)部穩(wěn)壓器的適當(dāng)旁路對于噪聲性能至關(guān)重要，同時 PCB 布局和接地方案也會影響模塊的性能，具體可參考布局部分的建議。

總結(jié)

TPSM846C24 電源模塊以其高度集成、高性能、豐富的功能和良好的兼容性，為電子工程師在電源設(shè)計中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計需求，合理配置電容、設(shè)置補償網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整輸出電壓和開關(guān)頻率等參數(shù)，并遵循布局和電源建議，以充分發(fā)揮該模塊的優(yōu)勢，確保系統(tǒng)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)分享交流。