詳解TPSM846C24：高效電源模塊的設計與應用

作為一名電子工程師，在電源模塊的設計與應用中不斷探索高效、可靠的解決方案至關重要。今天，我們就來詳細探討一款高性能的電源模塊——TPSM846C24。

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產品概述

TPSM846C24 是一款 35A 的固定頻率降壓電源模塊，它將控制器、功率 MOSFET、電感和相關組件集成到一個堅固的、熱增強型表面貼裝封裝中，具有高度集成的特性。其輸入電壓范圍為 4.5V 至 15V，輸出電壓范圍為 0.5V 至 2V，能滿足多種不同的應用需求。它的輸出電壓精度高達 0.5%，可確保穩定的供電輸出。該模塊采用 15mm×16mm 的緊湊封裝，最大高度僅為 6.4mm，適合對空間要求較高的設計。此外，它的開關頻率范圍為 300kHz 至 1MHz，還支持與外部時鐘同步，能有效減少電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問題。

特性亮點

集成化與兼容性

• 高度集成：將多個關鍵組件集成于一體，大大簡化了電源設計，減少了外部組件的數量，降低了設計復雜度和成本。
• 引腳兼容：與 TPSM846C23（PMBus）引腳兼容，方便工程師在不同設計中進行替換和升級。

可擴展性與性能

• 電流共享疊加：可通過電流共享功能將兩個模塊并聯，提供高達 70A 的輸出電流，滿足高功率應用需求。
• 出色的輸出表現：輸出電壓精度高，能提供穩定的電壓輸出，為負載設備提供可靠的電源支持。其輸出電壓范圍靈活，可通過外部電阻進行調節，滿足不同應用的電壓要求。

保護與控制功能

• 全面保護機制：具備過流保護、過溫保護、輸出過壓和欠壓保護等功能，能有效保護模塊和負載設備，提高系統的可靠性和穩定性。
• 多種控制特性：支持差分遠程感測，可有效補償負載線路上的電壓降，提高負載調節能力；具備 Power-Good 輸出信號，可用于指示輸出電壓是否在正常范圍內，方便系統進行電源管理和故障診斷；預偏置輸出單調啟動功能可確保在輸出預偏置情況下的穩定啟動，避免對敏感負載造成損壞；固定 3ms 的軟啟動/軟停時間可減少啟動和停止過程中的電流沖擊，保護設備和線路。

其他特性

• 工作范圍廣：工作結溫范圍為 -40°C 至 +125°C，工作環境溫度范圍為 -40°C 至 +105°C，能適應不同的惡劣環境。
• 熱性能增強：熱阻低至 8.7°C/W，散熱性能良好，可有效降低模塊溫度，提高可靠性。
• 電磁兼容性：符合 EN55022 Class A 輻射發射標準，能減少電磁干擾，提高系統的電磁兼容性。

應用領域

工業與通信

• Compact PCI/PCI Express/PXI Express：為這些高速數據傳輸接口提供穩定的電源，確保數據傳輸的準確性和可靠性。
• 寬帶和通信基礎設施：滿足通信設備對高效、穩定電源的需求，保障通信系統的正常運行。

測試與醫療

• 自動化測試設備：為測試設備提供精確的電源，保證測試結果的準確性和可靠性。
• 醫療設備：滿足醫療設備對電源的高可靠性和穩定性要求，確保醫療設備的安全運行。

芯片供電

• DSP、FPGA 和 ASIC 點負載應用：為這些高性能芯片提供穩定的電源，滿足其對電源質量的嚴格要求。

詳細設計與應用

電容配置

• 輸入電容：為保證模塊正常工作，輸入電容網絡至少需要四個 22μF（或兩個 47μF）陶瓷電容和一個 330μF 大容量電容。陶瓷電容應盡量靠近 VIN 引腳放置，其接地回路必須連接到 TPSM846C24 的 PGND 引腳。這樣的配置可以有效減少輸入電壓的紋波和噪聲，提高電源的穩定性。
• 輸出電容：輸出電容網絡至少需要四個 47μF（或兩個 100μF）陶瓷電容和兩個 470μF 低 ESR 聚合物電容，聚合物電容的總 ESR 不得大于 5mΩ。陶瓷電容應盡量靠近模塊的 VOUT 和 PGND 引腳。這種電容配置可以確保良好的瞬態響應和最小的紋波幅度，滿足負載設備對電源的動態響應要求。
• 其他電容：模擬電源路徑（VINBP）需要一個 10nF 陶瓷電容和一個 1μF 陶瓷電容組成的旁路網絡，分別連接到模塊的 50 號和 51 號引腳。模塊的兩個內部電源軌也需要旁路電容，6.5V 軌（BP6）需要一個 4.7μF 陶瓷電容，連接到模塊的 48 號和 49 號引腳；3.3V 軌（BP3）需要一個 2.2μF 陶瓷電容，靠近 47 號和 51 號引腳放置。這些電容的合理配置可以為模塊內部電路提供穩定的電源，減少電源噪聲對模塊性能的影響。

補償網絡設置

TPSM846C24 需要在 DIFFO 引腳（6 號）和 FB 引腳（7 號）之間連接一個外部串聯電阻和電容補償網絡（RCOMP 和 CCOMP）。這些組件的值由總輸出電容和開關頻率決定，建議使用陶瓷和低 ESR 聚合物電容，并將其盡量靠近模塊放置，遠離噪聲信號走線。對于不同的輸出電容和開關頻率，可參考文檔中的推薦值進行選擇，但最終值應通過標準電源評估技術測試系統穩定性來確定。合理的補償網絡設置可以優化模塊的動態響應和穩定性，確保輸出電壓的準確性和穩定性。

輸出電壓設置

輸出電壓調整范圍為 0.5V 至 2V，可通過在 FB 引腳和 AGND 之間連接一個電阻 RSET 來實現。通過公式 (R{SET}=frac{5}{(V{OUT}-0.5)}(k Omega)) 可以計算出給定輸出電壓下的 RSET 值，也可以從文檔中的標準 RSET 電阻值表中選擇合適的值。準確的輸出電壓設置可以滿足不同負載設備對電源電壓的要求，提高系統的兼容性和可靠性。

開關頻率與同步

• 頻率設置：模塊默認開關頻率為 500kHz。若要使用默認頻率，將 RT_SEL 引腳（14 號）連接到 AGND，RT 引腳（13 號）懸空；若要更改頻率，將 RTSEL 引腳懸空，并將一個電阻 RRT 從 RT 引腳連接到 AGND?？墒褂霉?(R{RT}=frac{18290+(120 × V{IN})}{f{SW}(kHzZ)}(k Omega)) 計算 RRT 電阻值，模塊設計工作頻率范圍為 300kHz 至 1MHz。合理的開關頻率設置可以優化模塊的效率和性能，根據不同的應用需求選擇合適的開關頻率。
• 同步功能：模塊可以與外部時鐘同步，外部時鐘頻率應在自由運行頻率的 ±20% 范圍內，且為 50% 占空比的方波。在獨立應用或并聯配置中作為主設備時，SYNC 引腳配置為 SYNC-IN 引腳，電源轉換同步到外部時鐘的上升沿；在并聯配置中作為從設備時，同步到輸入時鐘的下降沿。同步功能可以減少模塊之間的干擾，提高系統的穩定性和可靠性。

預偏置輸出啟動

當存在輸出預偏置情況時，TPSM846C24 可防止在啟動時從輸出端放電。在輸出預偏置的情況下，直到內部軟啟動電壓高于誤差放大器輸入電壓（FB 引腳）時才會產生 PH 脈沖。之后，低側 MOSFET 的導通時間會逐周期緩慢增加，直到產生 128 個脈沖后，同步整流器與高側 MOSFET 完全互補運行。這種啟動方式可以確保輸出電壓的啟動和上升到穩定狀態的過程平穩單調。但如果預偏置電壓接近或超過 VOUT 設定點電壓，上述 128 個開關周期可能會導致輸出電壓出現非單調下降，但在完成 128 個周期后，輸出電壓會迅速恢復到設定值。

電源良好（PGOOD）指示

模塊內置 PGOOD 信號，用于指示輸出電壓是否在調節范圍內。PGOOD 引腳為開漏輸出，需要一個上拉電阻連接到 5.5V 或更低的電壓源，推薦上拉電阻值在 10kΩ 至 100kΩ 之間。當輸出電壓高于設定電壓的 95% 時，PGOOD 引腳上升到上拉電壓電平；當輸出電壓低于 88% 或高于 112% 的標稱設定電壓時，PGOOD 引腳被拉低。PGOOD 信號可連接到其他設備的 EN 引腳，實現額外的受控開機和關機順序控制。需要注意的是，在輸入電壓施加之前，如果 PGOOD 引腳存在上拉電壓，由于未供電狀態下的下拉能力有限，可能會導致 PGOOD 引腳高于邏輯低電壓電平。若不希望出現這種情況，可以增加上拉電阻或降低外部上拉電源電壓。

線性穩壓器 BP3 和 BP6

模塊有兩個板載線性穩壓器 BP3 和 BP6，為內部電路提供合適的電源。為使轉換器正常工作，需要在外部對 BP3 和 BP6 引腳進行旁路電容配置，BP3 引腳需要至少 2.2μF 電容連接到 BP_RTN，BP6 引腳需要至少 4.7μF 電容連接到 BP6_RTN。不建議使用內部穩壓器為其他電路供電，因為穩壓器上的負載可能會對控制器的運行產生不利影響。旁路電容應盡量靠近設備引腳放置，且返回地的環路應最小化，并遠離快速開關電壓和主電流路徑，否則可能會降低穩壓器的性能。

并聯應用

兩個 TPSM846C24 模塊可以并聯使用，以提供高達 70A 的輸出電流。在并聯配置中，需要進行多個連接，并且組件選擇與獨立使用時略有不同。其中一個模塊作為主設備，另一個作為從設備。將從設備的 FB 引腳和 BP3 引腳之間連接一個 1kΩ 電阻，同時將兩個模塊的 SYNC、VSHARE 和 ISHARE 引腳按要求連接。兩個模塊共享相同的 VSHARE 電壓，通過連接 VSHARE 引腳，內部的 COMP 電壓在兩個模塊之間共享；連接 ISHARE 引腳可比較每個相位的感測電流，并將誤差電流添加到內部 COMP 中，然后與 PWM 斜坡進行比較以生成 PWM 脈沖，從而實現電流共享，保持模塊之間的電流平衡。此外，VSHARE 引腳還用于主從設備之間的故障通信，當任何一個模塊遇到故障時，VSHARE 引腳電壓被拉低，另一個模塊會收到警報并相應停止開關操作。在并聯配置中，主從設備的 SYNC 引腳需要提供 50% 占空比的時鐘信號，主設備鎖定時鐘的上升沿，從設備鎖定下降沿，以確保模塊工作相位相差 180°，最小化紋波。主從模塊都需要有一個 RRT 電阻，其值設置的開關頻率應在 SYNC 時鐘頻率的 ±20% 范圍內。在噪聲較大的系統中，可以在 VSHARE 引腳和地之間添加一個不超過 10pF 的高頻電容。如果工作條件導致導通時間脈沖寬度 ≤150ns，主從模塊的 PH 引腳可能會出現抖動，在 ISHARE 連接之間串聯一個 10kΩ 電阻有助于減少但可能無法消除抖動。

保護功能

• 過溫保護：內置溫度傳感器，當檢測到溫度超過內部熱關機閾值 TSD（典型值為 145°C）時，電源轉換停止，直到檢測到的結溫下降熱關機遲滯 THYST（典型值為 25°C）后才會重新啟動。
• 過流保護：同時具備低側過流保護和高側短路保護。在每個開關周期中，比較低側 MOSFET 的平均電流與故障閾值，當高側 MOSFET 的電流超過固定短路閾值時，高側脈沖會逐周期終止。當在一個開關周期中檢測到低側過流或高側短路閾值超過時，計數器會遞增；若未檢測到過流情況，計數器會遞減。當計數器達到 3 時，宣布過流故障，輸出關閉并在約 21ms 后重新啟動。
• 輸出過壓和欠壓保護：通過將 FB 引腳電壓與內部預設電壓進行比較，實現輸出過壓和欠壓保護。當 FB 引腳電壓高于輸出過壓保護閾值時，設備停止正常開關操作，進入連續重啟打嗝模式；當 FB 引腳電壓低于輸出欠壓保護閾值時，強制高側和低側 MOSFET 關閉，并在重啟前開始打嗝超時延遲。

布局與電源建議

布局準則

• 電容布局：輸入旁路電容應盡可能靠近 VIN 和 PGND 引腳放置，VIN 引腳上的高頻旁路電容可減少開關尖峰，可放置在 PCB 底部直接位于設備下方以保持最小環路。BP6 旁路電容承載著柵極驅動器的大開關電流，將 BP6 引腳通過低阻抗路徑旁路到 BP6_RTN 對模塊的穩定運行至關重要，應將 BP6 高頻旁路電容盡量靠近 48 號和 49 號引腳。VINBP 和 BP3 引腳也需要良好的局部旁路電容，應盡量靠近設備引腳和 BP_RTN 放置，否則可能會降低設備性能。
• 信號組件布局：信號組件如反饋電阻和 RT 電阻應盡量靠近連接的引腳，遠離快速開關電壓和電流路徑，并以最小的返回環路連接到 AGND。
• 差分對布線：VS+ 和 VS - 線應從負載端的輸出電容組以緊密耦合的差分對形式路由回設備引腳，避免靠近開關或噪聲區域，以防止引入差模噪聲。
• 并行配置布線：在并行配置中，SYNC、VSHARE 和 ISHARE 走線需要特別注意。SYNC 走線承載著軌到軌信號，應遠離敏感模擬信號；VSHARE 和 ISHARE 走線也應遠離 VIN、PH 和 BP6 引腳形成的快速開關電壓或電流。

電源建議

模塊設計工作的輸入電壓范圍為 4.5V 至 15V，電源必須穩壓良好，不適合采用分裂軌操作。輸入電源和內部穩壓器的適當旁路對于噪聲性能至關重要，同時 PCB 布局和接地方案也會影響模塊的性能，具體可參考布局部分的建議。

總結

TPSM846C24 電源模塊以其高度集成、高性能、豐富的功能和良好的兼容性，為電子工程師在電源設計中提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，我們需要根據具體的設計需求，合理配置電容、設置補償網絡、調整輸出電壓和開關頻率等參數，并遵循布局和電源建議，以充分發揮該模塊的優勢，確保系統的穩定運行。你在使用類似電源模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。