TPSM53604：高效集成電源模塊的設計與應用
TPSM53604：高效集成電源模塊的設計與應用
引言
在電子設計領域，電源模塊的性能和可靠性對整個系統的穩定運行起著至關重要的作用。德州儀器（Texas Instruments）的TPSM53604電源模塊，以其高度集成的特性和出色的性能，成為眾多應用場景的理想選擇。本文將深入介紹TPSM53604的特點、應用、詳細參數以及設計要點，幫助電子工程師更好地了解和使用這款電源模塊。
文件下載：tpsm53604.pdf
產品概述
TPSM53604是一款高度集成的4 - A電源解決方案，采用了36 - V輸入的同步降壓DC/DC轉換器，將功率MOSFET、屏蔽電感和無源元件集成在一個熱增強型QFN封裝中。其5mm x 5.5mm x 4mm的15引腳封裝，運用了Enhanced HotRod QFN技術，不僅具有出色的熱性能，還擁有小尺寸和低EMI的優勢。
產品特性
- 功能安全能力：具備功能安全能力，提供相關文檔以輔助功能安全系統設計。
- 小巧封裝與低EMI：采用5mm × 5.5mm × 4mm的Enhanced HotRod? QFN封裝，是業界最小的36 - V、4 - A封裝，單面解決方案尺寸僅為(85 ~mm^{2})，且滿足CISPR11輻射發射標準，具有低EMI特性。
- 優秀的熱性能：在85°C環境下，無需氣流，輸出功率可達20W。
- 標準引腳布局：引腳布局標準，所有引腳可從周邊訪問，底部有單個大散熱焊盤，便于布局和制造。
- 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3.8 V至36 V，輸出電壓范圍為1 V至7 V。
- 高效率：效率高達95%。
- 豐富的保護功能：具備電源良好標志、精密使能、內置打嗝模式短路保護、過溫保護、預偏置輸出啟動、軟啟動和欠壓鎖定等功能。
- 寬工作溫度范圍：工作IC結溫范圍為–40°C至 +125°C，工作環境溫度范圍為–40°C至 +105°C，且經過沖擊和振動測試（Mil - STD - 883D）。
- 引腳兼容：與3 - A TPSM53603和2 - A TPSM53602引腳兼容。
- 設計工具支持：可使用WEBENCH? Power Designer進行定制設計，還可下載EVM設計文件以加快電路板設計。
應用領域
TPSM53604的應用范圍廣泛，涵蓋了多個領域：
- 通用寬輸入電壓電源：適用于各種需要寬輸入電壓范圍的電源應用。
- 工廠自動化和控制：為工廠自動化設備提供穩定的電源支持。
- 測試和測量：滿足測試和測量設備對電源的高精度要求。
- 航空航天和國防：在航空航天和國防領域，其可靠性和穩定性得到了充分發揮。
- 負輸出電壓應用：可實現負輸出電壓的轉換。
詳細參數
絕對最大額定值
| 在推薦的工作結溫范圍內，TPSM53604的絕對最大額定值如下： | 參數 | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|
| 輸入電壓（VIN到PGND） | -0.3 | 38 | V | |
| EN到AGND | -0.3 | VIN + 0.3 | V | |
| PGOOD到AGND | -0.3 | 22 | V | |
| FB到AGND | -0.3 | 5.5 | V | |
| AGND到PGND | -0.3 | 0.3 | V | |
| 輸出電壓（VOUT到PGND） | -0.3 | VIN + 0.3 | V | |
| V5V到AGND | 0 | 5.5 | V | |
| 工作IC結溫 | -40 | 150 | °C | |
| 儲存溫度 | -55 | 150 | °C | |
| 峰值回流焊溫度 | 245 | °C | ||
| 允許的最大回流次數 | 3 | |||
| 機械振動（Mil - STD - 883D，20 to 2000 Hz） | 20 | G | ||
| 機械沖擊（Mil - STD - 883D，1 msec，1/2 sine，mounted） | 500 | G |
ESD評級
| 類型 | 值 | 單位 |
|---|---|---|
| 人體模型（HBM） | ±2500 | V |
| 帶電器件模型（CDM） | ±1000 | V |
推薦工作條件
| 參數 | 最小值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|
| 輸入電壓（VIN） | 3.8 | 36 | V |
| 輸出電壓（VOUT） | 1 | 7 | V |
| 輸出電流（IOUT） | 0 | 4 | A |
| EN電壓（VEN） | 0 | VIN | V |
| PGOOD上拉電壓（VPGOOD） | 0 | 18 | V |
| PGOOD灌電流 | 3 | mA | |
| 工作環境溫度（TA） | –40 | 105 | °C |
| 輸入電容（CIN） | 20 | μF | |
| 輸出電容（COUT） | min | 1000 | μF |
熱信息
| 熱指標 | TPSM53604 RDA (QFN) 15 PINS | 單位 |
|---|---|---|
| 結到環境熱阻（RθJA） | 19.5 | °C/W |
| 結到頂部特征參數（ψJT） | 1.0 | °C/W |
| 結到板特征參數（ψJB） | 5.5 | °C/W |
| 熱關斷溫度 | 165 | °C |
| 恢復溫度 | 148 | °C |
電氣特性
| 在(T{A}=-40^{circ} C)至 +105°C，(V{IN}=12 ~V)，(V{OUT }=3.3 ~V)，(I{OUT }=I_{OUT })最大的條件下，部分電氣特性如下： | 參數 | 測試條件 | 最小值 | 典型值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 輸入電壓（VIN） | 輸入電壓范圍（Over lou range） | 3.8 | 36 | V | ||
| VIN開啟 | Vin increasing，lour = 0.2A | 3.55 | V | |||
| VIN關閉 | Vin decreasing，lour = 0.2A | 3.05 | V | |||
| 靜態電流（la） | Non - switching，VB = 1.2 V | 24 | A | |||
| 關斷電源電流（ISHDN） | VEN = 0V，lour = 0A | 5 | 10 | A | ||
| 內部LDO（V5V） | 6V ≤ VIN ≤ 36V | 4.75 | 5 | 5.25 | V | |
| 反饋電壓（VFB） | -40°C ≤ T ≤ +125°C，lour = 0.75 A | 0.985 | 1 | 1.015 | V | |
| 負載調整率 | TA = +25°C，0.8 A ≤ louT ≤ 4A | 0.06 | % | |||
| 線性調整率 | TA = +25°C，lour = 0.75 A，Over Vin range | 0.15 | % | |||
| 流入FB引腳的電流（IFB） | FB = 1V | 0.2 | 50 | nA | ||
| 輸出電流（louT） | TA = 25°C | 0 | 4 | A | ||
| 過流閾值 | 5.5 | A | ||||
| 觸發短路打嗝模式所需的FB引腳電壓（VHC） | 0.4 | V | ||||
| 電流限制打嗝脈沖之間的時間（tHC） | 94 | ms | ||||
| 使能（EN引腳） | EN輸入電平開啟內部LDO（Rising threshold） | 1 | V | |||
| EN輸入電平關閉內部LDO（Falling threshold） | 0.3 | |||||
| EN輸入電平啟動開關（Rising threshold） | 1.2 | 1.23 | 1.26 | V | ||
| EN - H下方的遲滯（VEN - HYS） | Falling | 100 | mV | |||
| 使能輸入泄漏電流（LKG - EN） | VEN = 3.3V | 0.2 | nA | |||
| 電源良好（PGOOD引腳） | Vour rising（fault）（% of FB voltage） | 107 | % | |||
| Vour falling（good）（% of FB voltage） | 105 | % | ||||
| Vour rising（good）（% of FB voltage） | 94 | % | ||||
| Vou falling（fault）（% of FB voltage） | 92 | % | ||||
| 電源良好標志RpsON（Rpg） | VEN = 0V | 35 | p | |||
| PGOOD正常工作的最小輸入電壓（VIN.PG） | 50 - A，EN = 0V | 2 | V | |||
| PGOOD邏輯低輸出（VPG） | 50 - A，EN = 0V，VN = 2V | 0.2 | V | |||
| 效率（n） | lour = 2A，TA = 25°C | 91 | % | |||
| 內部軟啟動時間（tss） | 4 | ms | ||||
| 開關頻率（fsw） | louT = 2A，TA = 25°C | 1.4 | MHz |
功能特性詳解
輸出電壓調整
通過連接到FB引腳（引腳9）的電阻分壓器來設置TPSM53604的輸出電壓，輸出電壓調整范圍為1 V至7 V。推薦(R{FBT})的值為10 kΩ，可使用公式(R{F B B}=frac{10}{left(V{OUT }-1right)}(k Omega))計算(R{FBB})的值。
開關頻率
TPSM53604的開關頻率內部設定為1.4 MHz，不可調整。在負載電流足夠高且設備工作在PWM模式時，以固定頻率運行；當負載電流下降并切換到PFM模式時，開關頻率降低，從而降低功耗。
輸入電容
TPSM53604需要至少20 μF（2 × 10 μF）的陶瓷輸入電容，推薦使用高質量的X5R或X7R陶瓷電容，且電壓額定值應大于最大輸入電壓。對于有瞬態負載要求的應用，建議額外增加47 μF的非陶瓷電容。
輸出電容
根據輸出電壓的不同，TPSM53604所需的最小輸出電容也不同。在選擇陶瓷電容時，需要考慮DC偏置和溫度變化的影響。當增加額外電容時，可以選擇陶瓷類型、低ESR聚合物類型或兩者結合。
輸出開/關使能（EN）
EN引腳提供設備的電氣開/關控制，具有精確的閾值。當(V{EN } ≥V{EN-LDOH })時，設備進入待機模式，為內部LDO供電但不產生輸出電壓；當EN電壓增加到(V{EN-H})時，設備完全啟用，進入啟動模式并開始軟啟動周期；當EN輸入低于(V_{EN-H})減去(VEN - HYS)時，調節器停止運行并進入待機模式；當EN電壓進一步降低到低于(VEN - LDO - L)時，設備完全關閉。
可編程欠壓鎖定（UVLO）
TPSM53604在VIN引腳實現了內部UVLO電路，當VIN引腳電壓低于內部VIN UVLO閾值時，設備禁用。內部VIN UVLO上升閾值典型值為3.55 V，典型遲滯為500 mV。如果應用需要更高的UVLO閾值，可以在VIN、EN引腳和AGND之間放置一個電阻分壓器。
電源良好（PGOOD）
TPSM53604具有內置的電源良好信號（PGOOD），用于指示輸出電壓是否在其調節范圍內。PGOOD引腳是一個開漏輸出，需要一個上拉電阻連接到18 V或更低的標稱電壓源，內部5 - V LDO輸出（V5V引腳）可作為上拉電壓源。當輸出電壓上升到設定電壓的94%以上時，PGOOD引腳上升到上拉電壓水平；當輸出電壓下降到低于標稱設定電壓的92%或上升到高于107%時，PGOOD引腳被拉低。
輕載操作
在輕載條件下，設備會開啟高端MOSFET，直到電感電流達到約1 A的受控最小值。當輸入電壓降低，(V{IN })和(Vout)之間的電壓裕量減小時，達到該最小電流所需的時間增加，導致輸出電壓紋波增大。為消除這種現象，可以使用EN UVLO功能保持(V{OUT })以上至少1 V的裕量，或者在輕載且(V{IN })到(V{OUT })裕量非常低的應用中增加額外的輸出電容來降低輸出電壓紋波。
電壓降
電壓降是指在提供額定輸出電流時，維持輸出電壓調節所需的輸入電壓與輸出電壓之間的差值。為確保TPSM53604在工作溫度范圍內維持輸出電壓調節，最小(V{IN })為3.8 V或((V{OUT }+1 ~V))，取較大值。當壓降電壓低于上述推薦值時，TPSM53604會進入頻率折返模式，降低開關頻率以維持輸出電壓調節。
過流保護（OCP）
TPSM53604具備過流保護功能，對于過載采用逐周期電流限制，對于短路采用打嗝模式。如果輸出出現故障情況，打嗝模式會被激活，該模式可降低嚴重過流條件下的功耗，防止設備過熱和潛在損壞。在打嗝模式下，調節器關閉并保持94 ms（典型值），然后嘗試再次啟動。如果過流或短路故障仍然存在，打嗝模式將重復，直到故障條件消除。故障消除后，模塊將自動恢復正常軟啟動上電。
熱關斷
內部熱關斷電路在結溫超過典型值165°C時，會強制設備停止開關操作。當結溫下降到典型值148°C以下時，設備重新啟動上電序列。
設備功能模式
主動模式
當VIN高于開啟閾值且EN引腳電壓高于EN高閾值時，TPSM53604處于主動模式。將EN引腳連接到VIN是啟用該設備的最直接方式，當輸入電壓在3.8 V至36 V的工作范圍內時，設備可自動啟動。在VIN、EN和AGND之間連接一個電阻分壓器，可以調整UVLO，延遲開啟直到(V_{IN })接近其調節電壓。
自動模式
在自動模式下，設備會根據負載變化在脈沖寬度調制（PWM）和脈沖頻率調制（PFM）之間切換。輕載時，調節器工作在PFM模式；重載時，模式切換到PWM模式。設備從PFM切換到PWM的典型負載電流取決于輸入電壓和輸出電壓。在PWM模式下，調節器以恒定頻率運行，通過PWM調節輸出電壓，具有良好的線路和負載調節能力以及低輸出電壓紋波；在PFM模式下，高端MOSFET以一個或多個脈沖的突發形式開啟，為負載提供能量，通過調整突發頻率來調節輸出，同時采用二極管仿真以最大化效率，該模式在輕載時具有較高的效率，但輸出電壓紋波較大且開關頻率可變。
關斷模式
EN引腳為TPSM53604提供電氣開/關控制。當EN引腳電壓低于EN低閾值時，設備處于關斷模式，待機電流典型值為5 μA。
應用與實現
應用信息
TPSM53604是一款同步降壓DC/DC電源模塊，用于將較高的直流電壓轉換為較低的直流電壓，最大輸出電流為4 A。它可以配置為負輸出電壓、反相降壓 - 升壓（IBB）拓撲。設計時可以使用WEBENCH?軟件生成完整的設計，該軟件采用迭代設計過程并訪問全面的組件數據庫。
典型應用
TPSM53604只需幾個外部組件即可將寬輸入電壓范圍轉換為寬范圍的輸出電壓。以一個輸入電壓為24 V，輸出電壓為5 V，輸出電流額定值為4 A的設計為例，詳細設計步驟如下：
- 使用WEBENCH?工具進行定制設計：
- 輸入輸入電壓（(V_{IN})）、輸出電壓（(Vout)）和輸出電流（(IOUT)）要求。
- 使用優化器撥盤優化設計的關鍵參數，如效率、尺寸和成本。
- 將生成的設計與德州儀器的其他可能解決方案進行比較。
- WEBENCH Power Designer提供定制的原理圖以及帶有實時定價和組件可用性的材料清單，還可以進行電氣和熱仿真，導出定制的原理圖和布局到流行的CAD格式，打印設計的PDF報告并與同事分享。
- 輸出電壓設定點：通過電阻分壓器外部調整TPSM53604的輸出電壓，推薦(R_{FBT})的值為10
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