TPSM852892：高效集成的降壓 - 升壓電源模塊解析

在電子設計領域，電源模塊的性能和可靠性至關重要。今天，我們要深入探討一款功能強大的電源模塊——TPSM852892，它具備諸多先進特性，能為各種應用提供穩定、高效的電源解決方案。

文件下載：tpsm852892.pdf

一、產品概述

TPSM852892 是一款高度集成的 6A 降壓 - 升壓 DC - DC 模塊，集成了四個 MOSFET 開關和一個功率電感器，適用于將電池電壓或適配器電壓轉換為電源軌。其輸入電壓范圍為 3.0V 至 36V，輸出電壓范圍為 0.8V 至 22V，可根據輸入和輸出電壓在降壓、降壓 - 升壓和升壓模式之間平滑切換。

二、產品特性亮點

（一）ZEN 2 開關技術

• EMI 優化：該技術有助于滿足 CISPR 32 類 B 標準，集成了 VIN、VOUT、BOOT1 和 BOOT2 旁路電容器，有效降低 EMI。同時，優化的引腳布局可將環路電感降至最低，還提供可選的可編程擴頻功能，進一步減少 EMI 峰值。
• 頻率控制：采用固定頻率控制，開關頻率可通過外部電阻在 400kHz 至 1MHz 之間編程，也可同步到外部時鐘，避免頻率干擾和串擾。

（二）寬電壓范圍與高精度

• 輸入輸出范圍：寬輸入電壓范圍（3.0V 至 36V）和可編程輸出電壓范圍（0.8V 至 22V），能適應多種電源輸入和負載需求。
• 高精度：參考電壓精度達到 ±1%，輸出電流監測精度為 ±5%，可對電纜上的電壓降進行可調輸出電壓補償。

（三）高效與節能

• 全負載范圍高效：在整個負載范圍內都能保持高效率，例如在 (V{OUT }=20 ~V) 和 (I{OUT }=2.5 ~A) 時，效率可達 96%。
• 輕載模式：支持可編程 PFM 和 FPWM 模式，在輕載條件下可降低開關損耗，提高效率。

（四）豐富保護功能

• 過壓保護：具備輸出過壓保護功能，當輸出電壓超過閾值時，關閉高端 FET，防止設備損壞。
• 短路保護：采用打嗝模式進行輸出短路保護，減少功率組件發熱。
• 過流保護：平均電感電流限制為 6A，還有逐周期峰值電流限制，保護設備免受過流損壞。
• 熱關斷保護：當內部結溫超過 175°C 時，熱關斷電路將關閉設備，溫度下降后自動重啟。

（五）小尺寸封裝

采用 7.5mm × 7.7mm × 3.8mm 的 QFN 封裝，節省電路板空間，適合對尺寸要求較高的應用。

三、引腳配置與功能

TPSM852892 共有 71 個引腳，每個引腳都有特定的功能，以下是一些關鍵引腳的介紹：

• VIN：降壓 - 升壓模塊輸入引腳，支持 3.0V 至 36V 的輸入電壓。
• VOUT：降壓 - 升壓模塊輸出引腳，輸出電壓范圍為 0.8V 至 22V。
• EN/UVLO：兼具使能邏輯輸入和可編程輸入欠壓鎖定（UVLO）功能，邏輯高電平使能設備，邏輯低電平將設備置于關斷模式。
• FB：連接到電阻分壓器中心，用于編程輸出電壓。
• FSW：通過連接到 AGND 引腳的電阻來編程開關頻率。
• PG：電源良好指示開漏輸出，當輸出電壓高于設定輸出電壓的 95% 時，輸出高阻抗；低于 90% 時，輸出低電平。

四、規格參數

（一）絕對最大額定值

在工作結溫范圍內，各引腳的電壓和溫度都有相應的限制，如 VIN、SW1、L1 的電壓范圍為 - 0.3V 至 42V，工作結溫范圍為 - 40°C 至 150°C 等。超出絕對最大額定值可能會導致設備永久性損壞。

（二）ESD 評級

人體模型（HBM）為 ±2000V，帶電設備模型（CDM）為 ±500V，設計時需注意靜電防護。

（三）推薦工作條件

輸入電壓范圍為 3.0V 至 36V，輸出電壓范圍為 0.8V 至 22V，輸入電容范圍為 4.7μF 至 22μF，輸出電容范圍為 10μF 至 1000μF，工作結溫范圍為 - 40°C 至 125°C。

（四）熱信息

結到環境的熱阻為 20.8°C/W，有助于評估設備的散熱性能。

（五）電氣特性

涵蓋了電源、使能、輸出、參考電壓、功率開關等多個方面的參數，如輸入電壓范圍、欠壓鎖定閾值、靜態電流、輸出過壓保護閾值等，為電路設計提供了詳細的參考。

五、詳細功能描述

（一）工作模式

• 降壓模式：當輸入電壓大于輸出電壓時，設備工作在降壓模式。
• 升壓模式：當輸入電壓小于輸出電壓時，設備切換到升壓模式。
• 降壓 - 升壓模式：當輸入電壓接近輸出電壓時，設備交替進行一周期降壓和一周期升壓操作。

（二）控制方案

采用平均電流模式控制方案，具有簡化的環路補償、對負載瞬變的快速響應和固有的線電壓抑制能力。內部振蕩器可在 400kHz 至 1MHz 范圍內配置，也可同步到外部時鐘。

（三）電源供應

• VCC 電源：內部 LDO 輸出 5.2V 電壓，根據輸入和輸出電壓選擇合適的電源源。
• EXTVCC 電源：當輸入和輸出電壓都較高時，可通過連接外部 5V 電源來降低內部 LDO 的功耗。

（四）保護功能實現

• 輸入欠壓鎖定：當輸入電壓低于 2.6V 時，設備禁用；高于 3V 且 EN 引腳拉高時，設備可啟用。
• 軟啟動：輸入電壓高于 UVLO 閾值且 EN/UVLO 引腳電壓高于使能 UVLO 閾值時，輸出電壓在 3.6ms 內從 0V 升至 1.2V。
• 過流保護：通過平均電感電流限制和逐周期峰值電流限制來保護設備。
• 輸出短路保護：采用打嗝模式，短路時關閉開關 76ms，然后重新軟啟動。

六、應用與設計

（一）應用領域

適用于激光測距儀、電動手術工具、參數測量單元（PMU）等多種設備。

（二）典型應用設計

以 12V 電源，9V 至 36V 輸入電壓為例，詳細介紹了設計步驟：

• 開關頻率：通過 FSW 引腳的電阻設置開關頻率，為降低開關損耗，選擇 49.9kΩ 電阻實現 400kHz 開關頻率。
• 輸出電壓設置：使用外部電阻分壓器設置輸出電壓，根據參考電壓和輸出電壓計算電阻值。
• 輸入電容：在降壓模式下，輸入電容需提供高紋波電流，推薦使用陶瓷電容和鋁電解電容組合。
• 輸出電容：在升壓模式下，輸出電容傳導高紋波電流，需根據輸出電壓紋波要求選擇合適的電容。
• 輸出電流限制：通過在 ISP 和 ISN 引腳之間放置電流感測電阻來設置輸出電流限制。
• 環路穩定性：采用平均電流控制方案，內部電流環使用內部補償，外部電壓環需要外部補償，通過計算功率級和控制部分的傳遞函數來設計補償網絡。

（三）布局設計

布局對于開關電源的性能至關重要，以下是一些布局準則：

• 靠近 VIN/VOUT 引腳放置 0.1μF 小封裝陶瓷電容，減少高頻電流環路。
• 在 PGND 引腳附近使用多個 GND 過孔連接到內部接地平面，提高熱性能。
• 最小化 SW1 和 L1、SW2 和 L2 的環路面積，使用接地平面減少層間耦合。
• 對電流感測信號 ISP 和 ISN 使用 Kelvin 連接，并將濾波電容靠近 IC 引腳放置。
• 將 VCC 電容靠近 IC 放置，通過三到四個過孔將其 GND 端直接連接到 PGND 平面。
• 隔離功率地和模擬地，在 VCC 電容終端連接 PGND 平面和 AGND 平面。
• 將補償組件靠近 COMP 引腳放置，遠離功率組件和大電流走線。
• 使用熱過孔將 VIN 引腳和 VOUT 引腳分別連接到大面積的 VIN 和 VOUT 區域，提高熱性能。

七、總結

TPSM852892 是一款功能強大、性能優越的降壓 - 升壓電源模塊，具有寬電壓范圍、高效、豐富的保護功能和小尺寸封裝等優點。在實際應用中，我們需要根據具體需求合理選擇參數和進行布局設計，以充分發揮其性能優勢。各位工程師在使用過程中，不妨多思考如何根據不同的應用場景優化設計，以達到最佳的電源解決方案。你在電源模塊設計中遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。