TPSM83100和TPSM83101：高效集成的Buck - Boost電源模塊

引言

在電子設備的設計中，電源模塊的性能和尺寸往往是工程師們關注的重點。今天我們要介紹的TPSM83100和TPSM83101就是兩款非常出色的Buck - Boost電源模塊，它們在小尺寸和高效率方面表現卓越，能為眾多應用場景提供穩定的電源解決方案。

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產品概述

TPSM83100和TPSM83101是采用恒定頻率峰值電流模式控制的Buck - Boost MicroSiP?電源模塊。它們集成了電感，簡化了設計，減少了外部組件，節省了PCB面積。這兩款模塊具有3A的典型峰值電流限制，輸入電壓范圍為1.6V至5.5V，輸出電壓范圍為1.2V至5.5V，能滿足多種不同的電源需求。

產品特性

寬電壓范圍

• 輸入電壓：支持1.6V至5.5V的輸入電壓范圍，啟動時設備輸入電壓需大于1.65V。這使得它可以適應多種不同的電源輸入，增加了其應用的靈活性。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為1.2V至5.5V，在PFM模式下還支持1.0V輸出。對于不同的負載需求，都能提供合適的電壓輸出。

高輸出電流能力

具備高輸出電流能力，峰值開關電流可達3A。在不同輸入電壓條件下，能提供相應的輸出電流，例如當 (V{IN} ≥ 3V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 時，輸出電流 (I{out}) 可達1.5A；當 (V{IN} ≥ 2.7V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 時， (I{out}) 為1.2A。

高效節能

• 低靜態電流：典型靜態電流僅8μA，在輕載或無負載條件下，能有效降低功耗，提高效率。
• 模式選擇：具有自動省電模式和強制PWM模式。自動省電模式可根據負載情況自動調整工作模式，以保持整個負載范圍內的高效率；強制PWM模式則可在需要時提供穩定的輸出，減少輸出紋波。

安全可靠

• 多種保護功能：具備過流保護、短路保護、過溫保護和過壓保護等功能，能有效避免設備因異常情況而損壞。
• 軟啟動功能：集成了采用主動斜坡的軟啟動功能，可限制啟動時的浪涌電流，保護設備和負載。
• 真關斷功能：具有真關斷功能，能在關斷時斷開負載，確保設備的安全性。

小尺寸設計

采用MicroSiP?封裝，集成了電感，尺寸僅為2.0mm × 2.6mm × 1.2mm（最大）的8引腳μSiP封裝，非常適合對空間要求較高的應用。

應用領域

電壓穩定器

在數據通信、光模塊、制冷/加熱等設備中，可作為電壓穩定器，為系統提供穩定的電源。

系統預調節器

適用于智能手機、平板電腦、終端設備和遠程信息處理系統等，為這些設備的電源系統提供穩定的預調節。

負載點調節

在有線傳感器、端口/電纜適配器和加密狗等設備中，可實現負載點的精確電壓調節。

傳感器供電

可為指紋傳感器、攝像頭傳感器等提供穩定的電源，如電子智能鎖和IP網絡攝像頭中的傳感器。

引腳配置與功能

引腳布局

引腳功能詳解

• VIN：作為電源輸入引腳，為模塊提供工作所需的電壓。
• EN：用于控制模塊的開啟和關閉，方便系統進行電源管理。
• MODE：通過設置該引腳的電平，可以選擇模塊的工作模式，以滿足不同的應用需求。
• FB：反饋引腳，用于監測輸出電壓，并通過外部電阻分壓器來設置輸出電壓。

詳細工作原理

工作模式

根據輸入電壓的不同，模塊會自動在升壓、降壓或3周期Buck - Boost模式下工作。當輸入電壓約等于輸出電壓時，會進入3周期Buck - Boost模式。模式之間的轉換在定義的占空比下進行，避免了模式內的不必要切換，從而減少輸出電壓紋波。

關鍵特性描述

欠壓鎖定（UVLO）

持續監測VIN引腳的輸入電壓，當輸入電壓低于UVLO負向閾值時，模塊停止工作；當電壓恢復到高于UVLO正向閾值時，模塊恢復工作，并更快地重啟軟啟動程序。

使能與軟啟動

當輸入電壓高于UVLO正向閾值且EN引腳電壓高于1.2V時，模塊啟動。啟動時，通過電感峰值電流鉗位來限制浪涌電流，確保輸出電壓平穩上升。

可調輸出電壓

通過外部電阻分壓器連接在VOUT、FB和GND之間來設置輸出電壓。推薦低側電阻R2（FB和GND之間）低于100kΩ，高側電阻R1（FB和VOUT之間）可通過公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 計算，其中 (V_{FB}) 典型值為0.5V。

模式選擇（PFM/FPWM）

MODE引腳為數字輸入，連接低電平時，模塊工作在自動PFM模式，可在全輸出電流范圍內保持高效率；連接高電平時，工作在強制PWM模式，可實現最小輸出紋波。

輸出放電（僅TPSM83101）

當EN為低電平時，TPSM83101提供約67mA的主動下拉電流，快速放電輸出，防止輸出“浮動”或進入不確定狀態，使電源的開啟和關閉順序更加平滑。

反向電流操作

在FPWM模式下，模塊支持反向電流操作，即電流從VOUT引腳流向VIN引腳。當FB引腳的輸出反饋電壓高于參考電壓時，模塊調節會強制電流流入輸入電容。

保護特性

• 輸入過壓保護：避免因輸出到輸入的電流以及輸入源無法吸收電流而對設備造成損壞。當VIN引腳達到輸入電壓閾值 (V_{T+(IVP)}) 時，保護功能會禁用強制PWM模式，僅允許電流從VIN流向VOUT。
• 輸出過壓保護：防止外部反饋引腳工作異常時對設備造成損壞。當VOUT引腳達到輸出電壓閾值 (V_{T+(OVP)}) 時，保護功能會禁用模塊功率級，使開關節點呈高阻抗狀態。
• 短路保護：具有峰值電流限制性能，在短路或過載時保護設備。
• 熱關斷：監測芯片溫度，當溫度超過典型熱閾值160?C時，設備停止工作；溫度下降到典型熱關斷滯后25?C以下時，模塊恢復正常工作。

應用與實現

典型應用設計

設計要求

詳細設計步驟

1. 輸出電容選擇：推薦使用小陶瓷電容，并盡可能靠近模塊的VOUT和PGND引腳。總標稱輸出電容值推薦為47μF。若需使用大電容且無法靠近模塊，可并聯一個小陶瓷電容并靠近引腳放置。選擇輸出電容時要考慮直流偏置效應，以及電容大小和瞬態響應之間的權衡。
2. 輸入電容選擇：推薦使用22μF的X5R或X7R陶瓷電容，靠近模塊的VIN和PGND引腳，以改善調節器的線路瞬態特性和整個電源電路的EMI特性。若輸入電源距離模塊較遠，可能需要額外的大容量電容。
3. 設置輸出電壓：通過外部電阻分壓器設置輸出電壓，反饋電壓標稱值為500mV。低側電阻R2應低于100kΩ，高側電阻R1可通過公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 計算。

應用曲線分析

文檔中給出了多種應用曲線，如基于熱限制的安全工作區曲線、效率與輸出電流曲線、負載調節曲線等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解模塊在不同工作條件下的性能，從而進行合理的設計和優化。

電源供應建議

TPSM83100和TPSM83101對輸入電源無特殊要求，但輸入電源的輸出電流需根據輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進行合理額定。

布局要點

布局準則

PCB布局對于模塊的高性能至關重要。輸入和輸出電容應盡可能靠近模塊，走線要短，為輸入和輸出電容設計寬而直接的走線，以降低走線電阻和寄生電感。

布局示例

文檔中給出了布局示例，可供工程師參考。

總結

TPSM83100和TPSM83101電源模塊以其寬電壓范圍、高輸出電流能力、高效節能、安全可靠和小尺寸設計等優點，在眾多應用領域中具有廣闊的應用前景。對于電子工程師來說，在設計過程中合理選擇和應用這些特性，并遵循正確的設計和布局原則，將能夠充分發揮模塊的性能，為產品提供穩定可靠的電源解決方案。你在使用這款模塊的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區留言分享。