TPS82740A/B：低功耗應用的高效降壓轉換器模塊

引言

在當今電子設備追求低功耗、小型化的趨勢下，一款優秀的降壓轉換器模塊對于實現高效電源管理至關重要。TPS82740A 和 TPS82740B 作為德州儀器（TI）推出的產品，以其超低靜態電流、高轉換效率和豐富的功能特性，成為了眾多低功耗應用的理想選擇。本文將詳細介紹這兩款降壓轉換器模塊的特點、應用場景以及設計要點。

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一、產品特性

1. 超低靜態電流

TPS82740 系列典型靜態電流僅為 360nA，這使得它在輕負載或待機狀態下能夠顯著降低功耗，延長電池續航時間。對于那些依賴電池供電且對功耗極為敏感的應用來說，這一特性無疑是一大優勢。

2. 高轉換效率

在輸出電流低至 10μA 時，效率仍可高達 90%。這意味著在整個負載范圍內，該模塊都能保持較高的轉換效率，減少能量損耗，提高電源利用率。

3. 輸出電壓可選

通過三個電壓選擇引腳（VSEL1、VSEL2、VSEL3），用戶可以以 100mV 的步長靈活選擇輸出電壓。TPS82740A 的輸出電壓范圍為 1.8V 至 2.5V，TPS82740B 則為 2.6V 至 3.3V，滿足了不同應用對輸出電壓的需求。

4. 集成負載開關

模塊集成了具有壓擺率控制的負載開關，最大輸出電流可達 200mA。這使得用戶可以方便地控制外部負載的通斷，同時避免了額外的負載開關元件，簡化了電路設計。

5. 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍 (V_{IN}) 為 2.2V 至 5.5V，支持多種電源供電，如可充電鋰離子電池、鋰原電池以及 USB 端口等。這增加了模塊的通用性和適用性。

6. RF 友好的 DCS - Control? 拓撲

DCS - Control? 拓撲結合了滯環控制和電壓模式控制的優點，具有出色的交流負載調節和瞬態響應能力，低輸出紋波電壓，并且能夠在 PFM（脈沖頻率調制）和 PWM（脈沖寬度調制）模式之間無縫切換。這使得該模塊在射頻應用中表現出色，減少了對射頻電路的干擾。

7. 低輸出電壓紋波和自動 100% 模式

模塊具有低輸出電壓紋波特性，當電池電壓接近輸出電壓時，會自動進入無紋波的 100% 模式，此時輸出直接連接到輸入電壓，進一步降低了紋波。同時，VOUT 和 LOAD 引腳還具備放電功能，確保系統的安全性和穩定性。

8. 小型化封裝

采用 2.3mm × 2.9mm 的 MicroSIP? 封裝，總解決方案尺寸小于 (6.7mm^{2})，高度低于 1.1mm，非常適合對空間要求苛刻的應用。

二、應用場景

1. 無線通信

適用于藍牙低功耗（Bluetooth? Low Energy）、RF4CE 和 Zigbee 等無線通信協議的設備。這些設備通常需要在低功耗狀態下長時間運行，TPS82740 系列的超低靜態電流和高轉換效率能夠滿足其對電源的嚴格要求。

2. 可穿戴電子設備

可穿戴設備對尺寸和功耗有著極高的要求。TPS82740 的小型化封裝和低功耗特性使其成為可穿戴電子設備如智能手表、健身追蹤器等的理想電源解決方案。

3. 能量收集系統

在能量收集應用中，如太陽能、熱能等能量收集系統，由于能量來源不穩定且輸出功率較低，TPS82740 能夠在輕負載下保持高效運行，有效收集和管理能量。

三、詳細描述

1. 功能框圖

TPS82740 的功能框圖展示了其內部結構，包括超低功耗參考、軟啟動、欠壓鎖定（UVLO）、自動 100% 模式、功率級、電流限制比較器等模塊。這些模塊協同工作，確保了模塊的穩定運行和高效性能。

2. 特性描述

DCS - Control? 拓撲

DCS - Control? 拓撲通過一個交流環路直接感應輸出電壓，并將信息反饋給快速比較器，從而設置開關頻率。在中高負載條件下，模塊工作在 PWM 模式，開關頻率最高可達 1.7MHz；在輕負載時，無縫進入功率節省模式，開關頻率隨負載電流近乎線性變化，以保持高效率。

負載開關

LOAD 引腳由 CTRL 引腳控制，通過內部負載開關連接到 VOUT 引腳。當 CTRL 為高電平時，負載開關導通，允許連接其他系統組件到 DC/DC 轉換器的輸出；當 CTRL 為低電平時，負載開關斷開，LOAD 引腳被拉至地。該負載開關具有軟開關特性，可減少開關噪聲。

輸出電壓選擇

通過 VSEL1、VSEL2、VSEL3 引腳，用戶可以根據需要選擇輸出電壓。輸出電壓可以在運行過程中動態調整，實現簡單的動態電壓縮放。

輸出放電功能

VOUT 和 LOAD 引腳都具備放電電路，當模塊禁用時，可將引腳連接到地，防止殘留電荷影響系統的正常啟動。

內部電流限制

模塊在高端和低端 MOSFET 中集成了電流限制功能，通過逐周期監測開關電流，保護模塊免受過載或短路的影響。

3. 設備功能模式

啟用 / 關閉

當 EN 引腳設置為高電平時，模塊激活；設置為低電平時，進入關閉模式，電流消耗小于 70nA。

軟啟動

設備啟用后，經過啟動延遲時間 (t_{Startupdelay}) 進入軟啟動階段。在軟啟動期間，模塊以降低的電流限制 (I{LIMsoftstart}) 運行，持續時間為 (t{Softstart})，之后電流限制增加到標稱值。

電源良好輸出（PG）

電源良好比較器具有開漏輸出，可用于指示系統輸出電壓是否穩定。當 (V{OUT}) 超過閾值 (V{THPG+}) 時，輸出被驅動為高阻抗；當 (V{OUT}) 低于 PG 遲滯 (V_{PGhys}) 或輸入電壓 (V{IN}) 低于欠壓鎖定閾值 (V_{TH_UVLO}) 時，輸出被拉至低電平。

自動 100% 模式

當輸入電壓接近輸出電壓時，模塊停止開關，進入 100% 占空比運行模式，將輸出 VOUT 通過電感和內部高端 MOSFET 開關連接到輸入 VIN，消除輸出電壓紋波。當輸入電壓增加并超過 100% 模式退出閾值 (V_{TH_100+}) 時，模塊重新開始開關。

四、應用與實現

1. 應用信息

該模塊設計用于輸入電壓范圍為 2.2V 至 5.5V、最大輸出電流為 200mA 的應用。在中高負載條件下，模塊工作在 PWM 模式；在輕負載時，進入功率節省模式，通過線性變化開關頻率保持高效率。

2. 典型應用

在基于 SOC 的系統中，TPS82740 可用于為 LCD 顯示屏、ADC、控制子系統、射頻模塊、傳感器等提供電源。

3. 設計要求

TPS82740 是一個完整的降壓轉換器模塊，包含了所有必要的無源組件（電感、輸入和輸出電容）。對于大多數應用，無需額外的輸入 / 輸出電容。但在某些情況下，為了進一步提高性能，可能需要選擇額外的外部組件。

4. 詳細設計步驟

輸入電容選擇

對于大多數應用，VIN 引腳的集成陶瓷輸入電容已經足夠。但當陶瓷電容與電源引線的電感結合時，輸出負載階躍可能會在 VIN 引腳引起振鈴。此時，應在模塊輸入和電源引線之間添加額外的陶瓷“大容量”電容（如電解或鉭電容），以減少振鈴。此外，建議添加一個較大的緩沖電容 (C_{Buf})，以減少電壓降和紋波電壓，特別是在使用某些電池類型時。

輸出電容選擇

對于大多數應用，VOUT 引腳的集成輸出電容已經足夠。為了進一步降低輸出電壓紋波和改善負載瞬態性能，可以使用額外的外部輸出電容，但總有效電容不應超過 10μF，以保證環路穩定性。推薦使用低 ESR 值的陶瓷電容。

五、電源供應建議

TPS82740 是一個完整且優化的電源供應模塊，在給定的規格范圍內無需額外組件。用戶應根據應用信息部分的說明，正確連接輸入和輸出電路。

六、布局設計

1. 布局指南

在設計 uSiP LGA 焊球的焊盤尺寸時，建議使用非阻焊定義（NSMD）焊盤。這種方法可以使阻焊開口大于所需的焊盤面積，開口尺寸由銅焊盤寬度定義。

2. 布局示例

文檔提供了 PCB 布局的建議，包括焊盤定義、銅厚度、阻焊開口、鋼網開口和鋼網厚度等參數。同時，還給出了推薦的焊盤圖案圖像和尺寸。

七、設備與文檔支持

1. 文檔支持

提供了相關鏈接，包括技術文檔、支持和社區資源、工具和軟件以及樣品購買等方面的快速訪問。

2. 商標信息

DCS - Control、MicroSIP、MicroSiP 是德州儀器的商標，藍牙是 Bluetooth SIG, Inc. 的注冊商標。

3. 靜電放電注意事項

這些設備內置的 ESD 保護有限，在存儲或處理時，應將引腳短路或放置在導電泡沫中，以防止 MOS 柵極受到靜電損壞。

4. 術語表

提供了相關術語的解釋，方便用戶理解文檔中的專業術語。

八、總結

TPS82740A 和 TPS82740B 降壓轉換器模塊以其超低靜態電流、高轉換效率、豐富的功能特性和小型化封裝，為低功耗應用提供了一個優秀的電源解決方案。在實際設計中，電子工程師應根據具體應用需求，合理選擇輸入和輸出電容，優化布局設計，以充分發揮該模塊的性能優勢。同時，要注意靜電放電保護等問題，確保設備的可靠性和穩定性。你在使用 TPS82740 系列模塊時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。