TPSM842xx系列電源模塊：高效集成的電源解決方案

前言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212電源模塊，以其高效、集成化的特點(diǎn)，為工程師們提供了一種便捷的電源解決方案。本文將詳細(xì)介紹這些模塊的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供一些參考。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212是28V輸入、1.5A的同步降壓轉(zhuǎn)換器，它們將PWM、MOSFET、電感和控制電路集成在一個(gè)TO - 220封裝中。這種集成化設(shè)計(jì)不僅使設(shè)計(jì)更加緊湊，還提高了效率，相比傳統(tǒng)線性調(diào)節(jié)器具有明顯優(yōu)勢(shì)。該系列提供3.3V、5.0V和12.0V三種固定輸出電壓選項(xiàng)，固定的400kHz（典型值）開(kāi)關(guān)頻率有助于減小尺寸和降低輸出電壓紋波。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)

2.1 集成度高

這三款模塊是完整的集成電源解決方案，采用3引腳TO - 220封裝，只需添加輸入和輸出電容，就能省去環(huán)路補(bǔ)償和磁性元件選擇的設(shè)計(jì)過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程。

2.2 高效節(jié)能

效率高達(dá)95%，在不同輸入電壓和輸出電流條件下都能保持較高的效率。例如，在VIN = 24V，IOUT = 1A，VOUT = 12.0V時(shí)，效率可達(dá)94%。同時(shí)，采用先進(jìn)的Eco - mode?脈沖跳過(guò)模式，在輕載條件下能進(jìn)一步提高效率。

2.3 多種保護(hù)功能

具備過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)和熱關(guān)斷功能。過(guò)流保護(hù)采用逐周期電流限制，若輸出過(guò)載超過(guò)1.28ms，設(shè)備將關(guān)閉并在約40ms后重啟；輸出過(guò)壓保護(hù)電路可在輸出電壓超過(guò)108% × VOUT時(shí)強(qiáng)制關(guān)斷高端MOSFET，低于104% × VOUT時(shí)重新啟用；當(dāng)結(jié)溫超過(guò)165°C（典型值）時(shí)，熱關(guān)斷電路將強(qiáng)制設(shè)備停止開(kāi)關(guān)，結(jié)溫降至155°C（典型值）時(shí)重新啟動(dòng)。

2.4 寬工作溫度范圍

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 + 85°C，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。

2.5 低電磁干擾

符合EN55022 Class B輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，減少了對(duì)其他設(shè)備的干擾。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 分布式電源總線供電

適用于12V、24V分布式電源總線供電系統(tǒng)，為各種設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。

3.2 工業(yè)白色家電

在工業(yè)白色家電中，如冰箱、洗衣機(jī)等，可提供高效、穩(wěn)定的電源，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

3.3 消費(fèi)電子

在音頻設(shè)備、機(jī)頂盒（STB）、數(shù)字電視（DTV）和打印機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中也有廣泛應(yīng)用。

四、引腳配置與功能

TPSM842xx采用3引腳通孔EAB封裝，引腳功能如下：

• GND（引腳2）：接地，是設(shè)備功率級(jí)的回流電流路徑，需連接到與VIN和VOUT相關(guān)的旁路電容。
• VIN（引腳1）：輸入電壓，為轉(zhuǎn)換器的控制電路和功率開(kāi)關(guān)提供電壓，需在該引腳與GND之間連接外部旁路電容。
• VOUT（引腳3）：輸出電壓，連接到內(nèi)部輸出電感，需連接到輸出負(fù)載，并在該引腳與GND之間連接外部旁路電容。

五、規(guī)格參數(shù)

5.1 絕對(duì)最大額定值

輸入電壓范圍為 - 0.3V至30V，不同型號(hào)的輸出電壓有不同的最大額定值，如TPSM84203為 - 0.3V至3.9V，TPSM84205為 - 0.3V至5.7V，TPSM84212為 - 0.3V至13.0V。同時(shí)，還規(guī)定了機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、工作結(jié)溫、工作環(huán)境溫度和存儲(chǔ)溫度等參數(shù)。

5.2 推薦工作條件

不同型號(hào)的輸入電壓推薦范圍不同，TPSM84203為4.5V至28V，TPSM84205為7V至28V，TPSM84212為14.5V至28V；輸出電流范圍為0至1.5A；工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C。

5.3 ESD額定值

人體模型（HBM）為±2500V，充電設(shè)備模型（CDM）為±1500V。

5.4 熱信息

結(jié)到環(huán)境的熱阻RθJA為56°C/W，結(jié)到頂部的表征參數(shù)ψJT為0.9°C/W，結(jié)到電路板的表征參數(shù)ψJB為1.7°C/W。

5.5 電氣特性

包括輸入電壓范圍、輸出電壓精度、輸出電流、效率、瞬態(tài)響應(yīng)等參數(shù)。例如，輸出電壓的設(shè)定點(diǎn)電壓公差在TA = 25°C，IOUT = 0A時(shí)為 - 3%至 + 3%，溫度變化在 - 40°C ≤ TA ≤ 85°C，IOUT = 0A時(shí)為0.4%。

5.6 開(kāi)關(guān)特性

開(kāi)關(guān)頻率范圍為290kHz至510kHz，典型值為400kHz。

六、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 輸入電容

TPSM842xx設(shè)備需要至少10μF的陶瓷輸入電容，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R電容，其額定電壓應(yīng)大于最大輸入電壓。對(duì)于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，建議額外添加100μF的非陶瓷電容。

6.2 輸出電容

TPSM84203和TPSM84205需要至少94μF（2x 47μF）的陶瓷輸出電容，TPSM84212需要至少47μF的陶瓷輸出電容。同樣，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R電容，額定電壓應(yīng)大于最大輸出電壓。對(duì)于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，可添加額外的輸出電容。

6.3 壓降電壓

壓降電壓是維持穩(wěn)壓所需的輸入電壓與輸出電壓之差。文檔中給出了TPSM84205和TPSM84212在不同環(huán)境溫度下的典型壓降電壓曲線，工程師可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行參考。

6.4 內(nèi)部軟啟動(dòng)

設(shè)備在內(nèi)部軟啟動(dòng)功能的控制下啟動(dòng)，典型的內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間為5ms。

6.5 預(yù)偏置輸出安全啟動(dòng)

設(shè)備設(shè)計(jì)為防止低端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)期間，直到內(nèi)部軟啟動(dòng)電壓高于內(nèi)部反饋電壓，高端和低端MOSFET才允許導(dǎo)通。

七、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

7.1 設(shè)計(jì)流程

可使用WEBENCH?軟件生成完整設(shè)計(jì)，也可按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1. 確定輸入電壓、輸出電壓和輸出電流要求。
2. 使用優(yōu)化器調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，如效率、尺寸和成本。
3. 比較生成的設(shè)計(jì)與其他可能的解決方案。

7.2 典型應(yīng)用示例

以TPSM84205為例，輸入電壓為24V，輸出電壓為5V，需要在輸入和輸出端添加適當(dāng)?shù)碾娙荨］斎胩砑?0μF陶瓷電容，輸出添加2x 47μF陶瓷電容。

7.3 EMI特性

TPSM842xx設(shè)備均符合EN55022 Class B輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，文檔中給出了不同輸入輸出條件下的輻射發(fā)射圖，可幫助工程師評(píng)估設(shè)備的電磁兼容性。

八、布局建議

8.1 布局準(zhǔn)則

為實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要優(yōu)化PCB布局：

• 使用大面積銅區(qū)作為電源平面（VIN、VOUT和GND），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。
• 使用多個(gè)過(guò)孔將電源平面連接到內(nèi)部層。

8.2 布局示例

文檔中給出了典型的PCB布局圖，可作為參考。

九、總結(jié)

TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212電源模塊以其高集成度、高效率、多種保護(hù)功能和寬工作溫度范圍等特點(diǎn)，為電子工程師提供了一種可靠的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的型號(hào)，并注意輸入輸出電容的選擇、布局設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，以確保設(shè)備的性能和可靠性。同時(shí)，可利用WEBENCH?軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似電源模塊的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。