TPS82140：小尺寸、高效率的降壓轉(zhuǎn)換器模塊

作為電子工程師，我們在設(shè)計電源電路時，常常需要考慮諸多因素，如尺寸、效率、穩(wěn)定性等。德州儀器（TI）的TPS82140降壓轉(zhuǎn)換器模塊，在這些方面表現(xiàn)出色，為我們的設(shè)計帶來了諸多便利。今天，就來詳細介紹一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

TPS82140是一款輸入電壓可達17V、輸出電流為2A的降壓轉(zhuǎn)換器MicroSiP?功率模塊。它采用3.0mm x 2.8mm x 1.5mm的MicroSiP?封裝，高度集成了同步降壓轉(zhuǎn)換器和電感器，大大簡化了設(shè)計，減少了外部組件數(shù)量，節(jié)省了PCB面積。同時，其低矮緊湊的設(shè)計也適合通過標準表面貼裝設(shè)備進行自動化組裝。

二、主要特性

2.1 寬輸入電壓范圍與高輸出電流

TPS82140的輸入電壓范圍為3.0V至17V，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境。它還能提供2A的連續(xù)輸出電流，可滿足大多數(shù)負載的電源需求。

2.2 高效節(jié)能設(shè)計

采用DCS - Control?拓撲結(jié)構(gòu)，具備Power Save Mode（節(jié)能模式），可在輕載時自動降低開關(guān)頻率，減少IC的靜態(tài)電流，從而提高整個負載電流范圍內(nèi)的效率。在PWM模式下，標稱開關(guān)頻率為2.0MHz，能有效控制頻率在輸入電壓范圍內(nèi)的變化。

2.3 出色的性能表現(xiàn)

• 低靜態(tài)電流：典型的靜態(tài)電流僅為20μA，有助于降低功耗。
• 可調(diào)節(jié)輸出電壓：輸出電壓可在0.9V至6V之間進行調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 100%占空比：在最低壓降時可實現(xiàn)100%占空比，適用于電池供電應(yīng)用，能充分利用電池電壓范圍，延長設(shè)備運行時間。
• Power Good輸出：方便進行電源狀態(tài)監(jiān)測和多軌電源的排序。

2.4 其他特性

具備可編程軟啟動和跟蹤功能，可避免啟動時的過大浪涌電流；擁有熱關(guān)斷保護功能，確保在高溫環(huán)境下的可靠性；引腳與TPS82130和TPS82150兼容，方便進行設(shè)計替換。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 工業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)自動化、儀器儀表等領(lǐng)域，對電源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。TPS82140的寬輸入電壓范圍、高效節(jié)能以及出色的性能表現(xiàn)，能夠滿足工業(yè)設(shè)備在不同工況下的電源需求。

3.2 電信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在電信基站、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備中，需要高效、緊湊的電源解決方案。TPS82140的小尺寸和高集成度，使其成為此類應(yīng)用的理想選擇。

3.3 固態(tài)硬盤（SSD）

SSD對電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性要求嚴格。TPS82140的DCS - Control?拓撲結(jié)構(gòu)能夠提供快速的負載瞬態(tài)響應(yīng)和精確的輸出電壓調(diào)節(jié)，滿足SSD的高性能需求。

3.4 反相電源

通過重新布置外部電路，TPS82140還可作為反相電源使用，但需要注意電壓差的限制和環(huán)路穩(wěn)定性的調(diào)整。

四、工作模式詳解

4.1 PWM和PSM模式

• PWM模式：在中等到重載條件下，TPS82140工作在PWM模式，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。其導(dǎo)通時間(t{ON})可通過公式(t{ON}=500 ns × frac{V{OUT }}{V{IN }})估算，通常能實現(xiàn)約2.0MHz的開關(guān)頻率。
• PSM模式：當(dāng)負載電流降低到一定程度時，設(shè)備自動無縫切換到PSM模式。在該模式下，開關(guān)頻率降低，靜態(tài)電流最小化，以保持高效率。PSM模式下的開關(guān)頻率可通過公式(f{P S M}=frac{2 × I{OUT }}{t{ON}^{2} × frac{V{IN}-V_{OUT }}{L}})估算。

4.2 100%占空比（低壓降）模式

當(dāng)輸入電壓降低到接近輸出電壓時，TPS82140可進入100%占空比模式，此時高端MOSFET開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，以實現(xiàn)最低的輸入 - 輸出電壓差，適用于電池供電應(yīng)用。最小輸入電壓可通過公式(V{IN(min )}=V{OUT(min )}+I{OUT } × R{DP})計算。

4.3 開關(guān)電流限制

該功能可防止設(shè)備出現(xiàn)過高的電感電流和從電池或輸入電壓軌汲取過大電流。當(dāng)電感峰值電流達到開關(guān)電流限制時，經(jīng)過約30ns的傳播延遲后，高端FET關(guān)斷，低端FET導(dǎo)通，使電感電流下降。

4.4 欠壓鎖定

為避免設(shè)備在低輸入電壓下誤操作，TPS82140具備欠壓鎖定功能，當(dāng)輸入電壓低于(V_{UVLO})（具有200mV的遲滯）時，設(shè)備將關(guān)閉。

4.5 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過(T_{JSD})時，設(shè)備進入熱關(guān)斷狀態(tài)，停止開關(guān)動作。當(dāng)溫度下降到閾值以下20°C時，設(shè)備自動恢復(fù)正常運行。

五、典型應(yīng)用設(shè)計

5.1 1.8V輸出應(yīng)用

以一個輸入電壓為12V、輸出電壓為1.8V、輸出電流為2A的設(shè)計為例，介紹TPS82140的應(yīng)用設(shè)計步驟。

• 定制設(shè)計：可使用TI的WEBENCH? Power Designer進行定制設(shè)計。輸入(V{IN})、(V{OUT})和(I_{OUT})要求后，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，如效率、占用面積和成本等。該工具還能提供定制的原理圖、物料清單以及實時定價和組件可用性信息，并支持電氣和熱模擬、導(dǎo)出CAD格式文件等功能。
• 輸出電壓設(shè)置：通過外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，計算公式為(V{OUT }=V{FB} timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right)=0.8 V timesleft(1+frac{R 1}{R 2}right))。為在輕載時實現(xiàn)高效率并保證一定的噪聲靈敏度，R2不應(yīng)高于100kΩ。
• 電容選擇
  • 輸入電容：選擇低ESR的陶瓷電容，如10μF或更大的電容，以最小化輸入電壓紋波，抑制輸入電壓尖峰，為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源軌。
  • 輸出電容：輸出電容值可在22μF至400μF以上范圍內(nèi)選擇，更高的值可通過瞬態(tài)響應(yīng)評估確定。對于較大的輸出電容，建議采用較長的軟啟動時間。同時，要考慮高電容陶瓷電容的DC Bias效應(yīng)，謹慎選擇合適的電容值。
  • 軟啟動電容：通過連接在SS/TR引腳和GND之間的電容可對輸出電壓的啟動斜率進行編程，所需電容值可通過公式(C{S S / T R}=t{S S / T R} × frac{I_{S S / T R}}{1.25 V})計算。

5.2 性能曲線分析

通過查看效率曲線、熱降額曲線、負載和線性調(diào)節(jié)曲線以及開關(guān)頻率曲線等，可以了解不同輸入電壓、輸出電壓和負載電流下的性能表現(xiàn)。例如，在不同的輸入電壓和負載電流條件下，效率曲線會呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，這有助于我們在設(shè)計時選擇合適的工作點，以提高電源效率。

六、PCB布局與散熱考慮

6.1 布局指南

• 所有組件應(yīng)盡可能靠近IC放置，特別是輸入電容，應(yīng)最靠近設(shè)備的VIN和GND引腳。
• 主電流路徑應(yīng)使用寬而短的走線，以減少寄生電感和電阻。
• 為增強設(shè)備的散熱能力，應(yīng)使用過孔將暴露的散熱焊盤連接到底層或內(nèi)層接地平面。

6.2 散熱考慮

在高環(huán)境溫度或高輸出功率的應(yīng)用中，需要對TPS82140的輸出電流進行降額處理。降額量取決于輸入電壓、輸出功率、PCB布局設(shè)計和環(huán)境熱條件。當(dāng)局部PCB溫度超過65°C時，需特別注意。可以通過改善PCB的散熱能力、增強設(shè)備與PCB的熱耦合以及引入氣流等方式來提高散熱性能。

七、總結(jié)

TPS82140以其小尺寸、高效率、寬輸入電壓范圍和豐富的功能特性，成為電子工程師在電源設(shè)計中的一個優(yōu)秀選擇。無論是工業(yè)應(yīng)用、電信網(wǎng)絡(luò)還是固態(tài)硬盤等領(lǐng)域，它都能提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇外部組件，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)?？歡迎在評論區(qū)分享交流。