TPSM84624電源模塊：高效集成的電源解決方案

在電子設計領域，電源模塊的性能直接影響到整個系統的穩定性和效率。今天我們要介紹的是德州儀器（TI）的TPSM84624電源模塊，它為眾多應用提供了高效、可靠的電源解決方案。

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一、產品概述

TPSM84624是一款輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至10V，最大輸出電流為6A的電源模塊。它采用了集成電感的電源解決方案，將6A的DC/DC轉換器、功率MOSFET、屏蔽電感和無源元件集成在一個7.5mm × 7.5mm × 5.3mm的QFM封裝中，所有引腳都可從封裝周邊訪問，方便進行PCB布局。

二、產品特性

1. 高效集成

集成電感的設計大大減少了外部元件的數量，使得設計更加簡潔。同時，該模塊具有高達96%的效率，能夠有效降低功耗，提高系統的能源利用率。

2. 寬輸入輸出電壓范圍

4.5V至17V的輸入電壓范圍和0.6V至10V的輸出電壓范圍，使其能夠適應多種不同的應用場景。無論是電信和無線基礎設施、工業自動化測試設備，還是企業交換和存儲應用，TPSM84624都能提供穩定的電源輸出。

3. 可調節開關頻率

開關頻率可在200kHz至1.6MHz之間進行調節，用戶可以根據具體的設計需求選擇合適的頻率，以優化效率和性能。此外，該模塊還支持與外部時鐘同步，方便在多模塊系統中實現同步操作。

4. 超快負載階躍響應

TurboTrans?功能可實現超快的負載階躍響應，在負載變化時能夠快速調整輸出電壓，減少輸出電壓的偏差，同時降低對外部輸出電容的需求。

5. 其他特性

• Power-Good輸出：用于指示輸出電壓是否在規定范圍內，方便系統進行電源監控和管理。
• EMI性能：滿足EN55011 Class B輻射EMI限制，減少電磁干擾，提高系統的可靠性。
• 寬工作溫度范圍：工作環境溫度范圍為 -40°C至 +105°C，結溫范圍為 -40°C至 +150°C，能夠適應各種惡劣的工作環境。

三、引腳配置與功能

TPSM84624采用24引腳的QFM封裝，各引腳具有不同的功能，以下是一些主要引腳的介紹：

• AGND：模擬地，為內部參考和邏輯提供零電壓參考，應通過PCB上的模擬接地平面相互連接。
• EN：使能引腳，浮空或拉高可使能設備，通過連接電阻分壓器可實現可調欠壓鎖定和遲滯功能。
• FB：反饋輸入引腳，用于連接輸出電壓反饋電阻分壓器，以調節輸出電壓。
• PGND：功率地，是設備功率級的返回電流路徑，應通過PCB上的功率接地平面連接到輸入源、負載和旁路電容。
• PGOOD：Power-Good標志輸出，開漏輸出，當輸出電壓超出PGOOD閾值、VIN低于UVLO閾值、EN為低電平、設備處于熱關斷或軟啟動狀態時，該引腳輸出低電平。
• RT/CLK：開關頻率設置引腳，在RT模式下，通過外部定時電阻調節開關頻率；在CLK模式下，設備與外部時鐘輸入同步。
• SS/TR：軟啟動和跟蹤引腳，連接外部電容可調整輸出電壓的軟啟動斜坡，施加電壓可實現跟蹤和順序控制。

四、規格參數

1. 絕對最大額定值

TPSM84624的絕對最大額定值規定了設備能夠承受的最大應力，例如輸入電壓范圍為 -0.3V至19V，EN、PGOOD、SS/TRK、RT/CLK、FB引腳的電壓范圍為 -0.3V至6.5V等。在設計時，必須確保設備的工作條件不超過這些額定值，以避免對設備造成永久性損壞。

2. ESD額定值

該模塊具有一定的靜電放電（ESD）保護能力，人體模型（HBM）的ESD額定值為 +1500V，帶電器件模型（CDM）的ESD額定值為 ±1250V。在使用過程中，仍需注意靜電防護，避免ESD對設備造成損害。

3. 推薦工作條件

推薦的輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至10V，輸出電流最大為6A。在這些條件下，設備能夠穩定工作，并發揮最佳性能。

4. 熱信息

TPSM84624的熱性能參數包括結到環境的熱阻（RθJA）、結到頂部的表征參數（ψJT）和結到板的表征參數（ψJB）。這些參數可用于評估設備在不同工作條件下的溫度分布，從而進行合理的散熱設計。

5. 電氣特性

在 -40°C至 +105°C的環境溫度下，當VIN = 12V，VOUT = 1.2V，IOUT = IOUT max，fsw = 450kHz時，該模塊具有良好的電氣性能。例如，輸入電壓范圍為4.5V至17V，輸出電壓調整范圍為0.6V至10V，效率最高可達96%等。

6. 開關特性

開關頻率范圍為200kHz至1.6MHz，最小導通時間為140ns，最小關斷時間為100ns。這些特性對于設計開關電源的控制策略非常重要。

五、詳細特性描述

1. 輸出電壓調節

通過連接到FB引腳的電阻分壓器可以對輸出電壓進行編程，輸出電壓調節范圍為0.6V至10V。推薦的RFBT值為10kΩ，RFBB的值可以通過公式計算或從標準組件值表中選擇。

2. 開關頻率設置

開關頻率可以通過連接在RT引腳和AGND之間的電阻（RRT）進行設置，也可以與外部時鐘同步。在選擇開關頻率時，需要根據設備的輸出電壓設置和工作輸入電壓進行合理選擇。

3. 同步功能

TPSM84624的開關頻率可以與200kHz至1.6MHz的外部時鐘同步。內部的鎖相環（PLL）可以實現同步功能，并在RT模式和CLK模式之間輕松切換。

4. 輸出開/關控制

EN引腳提供設備的電氣開/關控制。當EN引腳電壓超過閾值電壓時，設備開始工作；當EN引腳電壓低于閾值電壓時，調節器停止開關并進入低工作電流狀態。

5. 輸入電容選擇

TPSM84624需要至少20μF的陶瓷輸入電容，對于有瞬態負載要求的應用，建議額外增加100μF的非陶瓷電容。輸入電容的電壓額定值應大于最大輸入電壓，以確保設備的正常工作。

6. 輸出電容選擇

輸出電容的最小需求量取決于輸出電壓，可由陶瓷電容或陶瓷與低ESR聚合物電容的組合組成。在選擇輸出電容時，需要考慮電容的質量、電容值和ESR等因素，以確保設備的穩定運行和優化的瞬態性能。

7. TurboTrans功能

TurboTrans功能可以優化轉換器的瞬態響應，同時減少滿足目標電壓偏差規格所需的外部輸出電容數量。通過在TT引腳和AGND之間連接TurboTrans電阻（RTT），可以根據輸出電容的數量和類型來設置TPSM84624的響應。

8. 欠壓鎖定（UVLO）

TPSM84624在VIN引腳上實現了內部UVLO電路，當VIN引腳電壓低于內部VIN UVLO閾值時，設備將被禁用。用戶可以通過在EN引腳添加外部電阻分壓器來調整UVLO閾值。

9. 軟啟動（SS/TR）

將SS/TR引腳懸空可啟用約1.25ms的內部軟啟動時間間隔，通過在SS引腳和AGND之間添加額外的電容可以增加軟啟動時間，減少輸入源的浪涌電流和設備在充電輸出電容時的電流。

10. 順序控制（SS/TR）

通過使用SS/TR、EN和PGOOD引腳，可以實現多種常見的電源順序控制方法。例如，將第一個設備的PGOOD引腳連接到第二個設備的EN引腳，可以在主電源達到穩定后啟用第二個電源。

11. Power Good（PGOOD）

PGOOD引腳是一個開漏輸出，需要外部上拉電阻才能輸出高電平。當輸出電壓在設定點電壓的91%至106%之間，且SS/TR大于0.75V時，PGOOD引腳釋放下拉并浮空。

12. 安全啟動到預偏置輸出

該設備設計用于防止低側MOSFET對預偏置輸出進行放電。在單調預偏置啟動過程中，低側MOSFET在SS/TR引腳電壓高于FB引腳電壓且高側MOSFET開始切換之前不允許吸收電流。

13. 過流保護

TPSM84624通過逐周期電流限制來保護設備免受負載故障引起的過流情況。在長時間過流情況下，設備將進入打嗝模式，以減少功耗。

14. 熱關斷

當結溫超過170°C時，內部熱關斷電路將強制設備停止切換。當結溫下降到155°C以下時，設備將重新啟動。

六、應用與實現

1. 應用信息

TPSM84624是一款固定頻率、同步降壓DC/DC電源模塊，可將較高的DC電壓轉換為較低的DC電壓，最大輸出電流為6A。用戶可以使用設計程序選擇組件，也可以使用WEBENCH?軟件生成完整的設計。

2. 典型應用

TPSM84624只需要幾個外部組件就可以將寬輸入電壓范圍轉換為寬范圍的輸出電壓。在典型應用中，需要根據設計要求選擇合適的輸入電容、輸出電容、開關頻率設置電阻和TurboTrans電阻等組件。

七、電源供應建議

TPSM84624設計用于在4.5V至17V的輸入電壓范圍內工作，輸入電源必須具有良好的調節能力，能夠承受最大輸入電流并保持穩定的電壓。如果輸入電源距離TPSM84624較遠，可能需要額外的大容量電容來減少輸入電流瞬變引起的電壓降。

八、布局設計

PCB布局對于開關電源的性能至關重要。為了實現最佳的電氣和熱性能，需要遵循以下布局準則：

• 使用大面積的銅區域作為電源平面（VIN、VOUT和PGND），以減少傳導損耗和熱應力。
• 將陶瓷輸入和輸出電容靠近設備引腳放置，以減少高頻噪聲。
• 在陶瓷電容和負載之間放置額外的輸出電容。
• 保持AGND和PGND分開，通過內部連接。
• 將RFBB、RRT和Css盡可能靠近各自的引腳放置。
• 使用多個過孔將電源平面（VIN、VOUT和PGND）連接到內部層。

九、設備與文檔支持

1. 設備支持

TI提供了豐富的設備支持資源，包括WEBENCH? Power Designer工具，用戶可以使用該工具創建自定義設計，優化設計參數，并進行電氣和熱仿真。

2. 文檔更新通知

用戶可以在ti.com上注冊，以接收文檔更新的通知，及時了解產品信息的變化。

3. 社區資源

TI的E2E?在線社區為工程師提供了一個交流和協作的平臺，用戶可以在社區中提問、分享知識和解決問題。

十、總結

TPSM84624電源模塊以其高效集成、寬輸入輸出電壓范圍、可調節開關頻率、超快負載階躍響應等特性，為電子工程師提供了一個優秀的電源解決方案。在實際應用中，合理選擇組件、優化PCB布局和遵循設計準則，可以充分發揮該模塊的性能，提高系統的穩定性和效率。你在使用TPSM84624電源模塊時遇到過哪些問題？你是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。