TPSM843820：高效同步降壓轉換器的設計與應用

在電子設計領域，電源管理模塊的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）推出的TPSM843820同步降壓轉換器，它在無線基礎設施、通信設備等眾多領域都有著廣泛的應用。

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一、產品概述

TPSM843820是一款高度集成的同步降壓DC - DC轉換器，采用MicroSiP電源模塊封裝，具有諸多出色的特性。它的輸入電壓范圍為4V至18V，輸出電壓范圍為0.5V至1.8V，能夠提供高達8A的輸出電流，非常適合高功率密度的應用場景。

1.1 主要特性

• 固定頻率與先進電流模式控制：采用固定頻率、內部補償的先進電流模式（ACM）控制，無需復雜的外部補償設計，就能實現穩定的靜態和瞬態操作。內部的斜坡生成網絡可以模擬電感電流信息，支持使用低ESR輸出電容，如多層陶瓷電容（MLCC），同時具有較高的信噪比和良好的抗噪能力。
• 小尺寸封裝：采用3.5mm × 3.5mm × 1.6mm的15引腳DFM封裝MicroSiP電源模塊，節省了電路板空間，非常適合對尺寸要求較高的應用。
• 高效集成：集成了25mΩ和6.5mΩ的MOSFET、電感和基本無源元件，提高了轉換效率，減少了外部元件數量。
• 靈活的參數選擇：提供三種可選的PWM斜坡選項，可優化控制環路性能；有五種可選的開關頻率（500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz），還能同步到外部時鐘；具有可選的軟啟動時間（0.5ms、1ms、2ms和4ms），可實現單調啟動到預偏置輸出；支持可選的電流限制，以滿足不同的電流操作需求。
• 全面的保護功能：具備輸出過壓、輸出欠壓、輸入欠壓、過流和過溫保護，確保了系統的可靠性和穩定性。

1.2 應用領域

TPSM843820適用于多種應用場景，包括無線基礎設施和有線通信設備、光模塊、測試與測量、醫療保健、航空航天和國防等領域。

二、引腳配置與功能

TPSM843820的引腳配置清晰，每個引腳都有其特定的功能。下面是主要引腳的功能介紹：

• FB（引腳1）：用于輸出電壓調節的反饋引腳，通過連接到電阻分壓器的中點來設置輸出電壓。
• AGND（引腳2）：內部模擬電路的接地返回引腳。
• BP5（引腳3）：內部5V穩壓器輸出，需用2.2μF電容旁路到AGND。
• PG（引腳4）：開漏電源良好指示器。
• MODE（引腳5）：通過連接到地的電阻選擇電流限制、軟啟動速率和PWM斜坡幅度。
• EN（引腳6）：使能引腳，可浮空使能，也可通過外部信號進行使能和禁用，還能通過電阻分壓器調整輸入欠壓鎖定。
• PGND（引腳7、8、9）：功率級的接地返回引腳，內部連接到低端MOSFET的源極。
• VIN（引腳10）：功率級的輸入電源，需對這些引腳到PGND進行低阻抗旁路，靠近IC處需連接47nF至100nF的電容。
• SW（引腳11）：模塊的開關節點，僅用于監測。
• BOOT（引腳12）：內部高端MOSFET柵極驅動器的電源，由于與SW引腳的電容已集成，此引腳僅用于監測。
• SYNC/FSEL（引腳13）：頻率選擇和外部時鐘同步引腳，通過連接到地的電阻設置器件的開關頻率，也可施加外部時鐘進行同步。
• VOUT（引腳14）：降壓輸出電壓，需連接輸出電容到該節點。
• PAD/PGND（引腳15）：連接到PGND的散熱焊盤。

三、規格參數

3.1 絕對最大額定值

在使用TPSM843820時，需要注意其絕對最大額定值，包括輸入電壓、輸出電壓、工作結溫、存儲溫度等。例如，輸入電壓VIN的范圍為 - 0.3V至20V，工作結溫范圍為 - 40°C至125°C。超出這些額定值可能會導致器件永久性損壞。

3.2 ESD評級

該器件具有一定的靜電放電（ESD）保護能力，人體模型（HBM）的ESD評級為±2000V，充電設備模型（CDM）的ESD評級為±500V。

3.3 推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為4V至18V，輸出電壓范圍為0.5V至1.8V，輸出電流最大為8A。在這些條件下，器件能夠穩定工作并發揮最佳性能。

3.4 熱信息

了解器件的熱特性對于確保其在不同環境下的正常工作至關重要。TPSM843820的結到環境的熱阻RθJA為29.9°C/W，結到電路板的表征參數ψJB為9.82°C/W。

3.5 電氣特性

包括電源電壓、使能和欠壓鎖定、內部LDO BP5、參考電壓、開關頻率和振蕩器、同步、軟啟動、功率級、電流感測和過流保護、輸出過壓和欠壓保護、電源良好、打嗝、輸出放電和熱關斷等方面的特性。這些特性決定了器件在不同工作條件下的性能表現。

四、詳細描述

4.1 概述

TPSM843820采用固定頻率的先進電流模式控制，開關頻率范圍為500kHz至2.2MHz，可根據需要選擇合適的頻率以優化效率和尺寸。其內部補償設計減少了外部元件數量，集成的高頻電容降低了開關節點的瞬態峰值。

4.2 功能框圖

從功能框圖可以看出，該器件包含了多個關鍵模塊，如VIN引腳和VIN欠壓鎖定（UVLO）、使能和可調UVLO、輸出電壓調節、開關頻率選擇、同步、斜坡幅度選擇、軟啟動和預偏置輸出啟動、功率良好監測、電流保護、輸出過壓和欠壓保護、過溫保護和輸出電壓放電等功能模塊。

4.3 特性描述

• VIN引腳和VIN UVLO：VIN引腳為器件的內部控制電路和功率級提供輸入電壓，輸入電壓范圍為4V至18V。當VIN引腳電壓低于內部VIN UVLO閾值時，器件將被禁用，且該閾值具有150mV的遲滯。
• 使能和可調UVLO：EN引腳用于控制器件的開啟和關閉。當EN引腳電壓超過閾值電壓且VIN引腳電壓超過VIN UVLO閾值時，器件開始啟動序列。可以通過外部電阻分壓器調節輸入電壓UVLO和遲滯。
• 調整輸出電壓：通過連接從輸出（VOUT）到FB引腳的電阻分壓器來設置輸出電壓，推薦使用1%公差或更好的分壓器電阻。
• 開關頻率選擇：通過在SYNC/FSEL引腳和AGND之間連接電阻來選擇開關頻率，有五種可選頻率，需使用1%公差或更好的電阻。
• 開關頻率同步到外部時鐘：器件可以通過在SYNC/FSEL引腳施加占空比為20%至80%的方波時鐘信號來同步到外部時鐘。在啟動前或運行期間均可施加時鐘信號。
• 斜坡幅度選擇：通過在MODE引腳連接到AGND的電阻選擇三種不同的斜坡電容（1pF、2pF和4pF），以優化內部環路性能。
• 軟啟動和預偏置輸出啟動：在啟動期間，器件通過軟斜坡參考電壓來減少浪涌電流。有四種軟啟動時間可選，且在預偏置輸出條件下，器件在啟動時以不連續傳導模式（DCM）運行，確保輸出電壓平滑單調。
• MODE引腳：通過連接到MODE和AGND之間的單個電阻RMODE來編程斜坡幅度、軟啟動時間和電流限制設置。
• 功率良好（PGOOD）：PGOOD引腳是一個開漏輸出，需要外部上拉電阻來輸出高信號。當FB引腳電壓在內部電壓參考的92%至108%之間，軟啟動完成且經過256μs的消隱時間后，PGOOD引腳被釋放并浮空。
• 電流保護：器件通過逐周期電流限制對高端MOSFET和低端MOSFET進行過流保護。在正電感電流和負電感電流條件下，有不同的保護機制。當出現連續15個周期的過流情況時，器件進入打嗝模式。
• 輸出過壓和欠壓保護：當檢測到過壓時，器件嘗試將輸出電壓放電到安全水平后再重啟；當檢測到欠壓時，器件進入打嗝模式，等待七個軟啟動周期后再重啟。
• 過溫保護：當芯片溫度超過165°C時，器件關閉；當溫度下降到滯后水平（通常為12°C）以下時，器件重啟。
• 輸出電壓放電：當器件因故障條件而禁用高端FET和低端FET時，輸出電壓放電模式被啟用，通過開啟從SW到PGND的放電FET來放電輸出電壓。

4.4 器件功能模式

• 強制連續傳導模式（FCCM）：TPSM843820在正常運行期間始終以強制連續傳導模式運行。
• 軟啟動期間的不連續傳導模式（DCM）：在軟啟動的前16個PWM周期內，轉換器以不連續傳導模式運行，通過零交叉檢測比較器在電流達到零安培時關閉低端MOSFET，防止輸出預偏置條件下的放電。16個周期后，轉換器進入FCCM模式。

五、應用與實現

5.1 應用信息

TPSM843820是一款專為4V至18V輸入和8A負載設計的同步降壓調節器，適用于使用陶瓷輸出電容的高頻開關調節器設計。

5.2 典型應用

以1.0V輸出、1.5MHz應用為例，詳細介紹了設計過程：

• 開關頻率選擇：根據應用需求選擇合適的開關頻率，通常選擇較高的開關頻率可以減小設計尺寸，但會增加開關功率損耗。通過計算最大開關頻率，并考慮最小導通時間和最小關斷時間的限制，選擇了1500kHz的開關頻率，并通過8.06kΩ的FSEL電阻進行設置。
• 輸出電感選擇：模塊內部集成了優化的220nF電感。
• 輸出電容選擇：輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波和負載電流變化的響應。根據不同的標準計算最小輸出電容，包括負載瞬態響應、電感電流斜率限制、輸出電壓紋波和控制環路穩定性等方面。最終選擇了一個47μF和三個100μF的陶瓷電容并聯，以滿足設計要求。
• 輸入電容選擇：輸入電容需要使用X5R、X7R或類似類型的陶瓷電容，從VIN到PGND靠近IC放置，至少需要10μF的電容，部分應用可能需要額外的大容量電容。
• 可調欠壓鎖定：通過外部電阻分壓器調整欠壓鎖定（UVLO）的閾值，設置電源在輸入電壓上升到4V時開啟，下降到3.95V時關閉。
• 輸出電壓電阻選擇：使用10kΩ的RFBB電阻和計算得到的10kΩ的RFBT電阻來設置輸出電壓。
• 自舉電容選擇：模塊內部集成了連接在BOOT和SW引腳之間的0.1μF陶瓷電容。
• BP5電容選擇：需要在BP5引腳和AGND之間連接2.2μF的陶瓷電容，電容額定電壓至少為10V。
• PGOOD上拉電阻：使用10kΩ的電阻上拉功率良好信號，上拉電壓源必須小于PGOOD引腳的6V絕對最大值。
• 電流限制選擇：根據最大穩態峰值電流選擇合適的電流限制設置，確保最小電流限制大于1.1倍的最大穩態峰值電流。
• 軟啟動時間選擇：根據負載的特定時序要求選擇軟啟動時間，以避免過大的充電電流導致輸入電壓軌下降。
• 斜坡選擇和控制環路穩定性：通過計算LC雙極點頻率和fSW/fLC的比值，選擇合適的斜坡設置。對于1V輸出，當比值在35至58之間時，推薦使用1pF斜坡；在58至86之間時，推薦使用2pF斜坡；大于86時，推薦使用4pF斜坡。同時，可以使用前饋電容來增加控制環路的相位提升。
• MODE引腳設置：將MODE電阻設置為4.87kΩ，以選擇高電流限制設置、1.0ms軟啟動和2pF斜坡。

5.3 電源供應建議

TPSM843820需要在4V至18V的輸入電壓范圍內工作，輸入電源必須良好調節。輸入電源的適當旁路、PCB布局和接地方案對于電氣性能至關重要。建議在器件附近放置至少4μF（降額后）的陶瓷電容，類型為X5R或更好，并將陶瓷輸入電容均勻分布在器件兩側。

5.4 布局

• 布局指南：布局是電源設計的關鍵部分。需要將VIN、PGND和SW走線盡可能加寬，以降低走線阻抗并提高散熱性能；在VIN引腳到PGND之間靠近器件放置10nF至100nF的電容，并將剩余的陶瓷輸入電容放置在高頻旁路電容旁邊；在PGND引腳附近使用多個過孔，并通過器件下方的層將它們連接在一起；在VIN引腳附近使用過孔，并通過內部層提供低阻抗連接；將BP5電容盡可能靠近BP5和AGND引腳放置；將FB分壓器的底部電阻盡可能靠近IC的FB和AGND引腳放置，并保持上部反饋電阻和前饋電容靠近IC；在AGND島中使用多個過孔連接到內部PGND層，但不要在BP5電容和AGND引腳之間放置過孔；將FSEL和MODE電阻連接到安靜的AGND島。
• 布局示例：給出了一個PCB布局示例，展示了各個元件的放置位置和走線方式。

六、總結

TPSM843820是一款功能強大、性能優越的同步降壓轉換器，具有多種靈活的參數選擇和全面的保護功能。在設計應用時，需要根據具體的需求和條件，合理選擇開關頻率、輸出電感、電容等元件，并注意布局和電源供應等方面的問題。通過正確的設計和實現，可以充分發揮TPSM843820的優勢，為各種電子系統提供穩定、高效的電源解決方案。大家在實際應用中是否遇到過類似電源模塊的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。