深入解析TPSM843A22E：高性能同步降壓模塊的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來詳細(xì)探討一下德州儀器（TI）推出的TPSM843A22E，一款高性能的12A同步降壓模塊，看看它在實際應(yīng)用中能為我們帶來哪些優(yōu)勢。

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產(chǎn)品概述

TPSM843A22E專為高環(huán)境溫度應(yīng)用而設(shè)計，適用于無線基礎(chǔ)設(shè)施、有線光模塊以及測試和測量等領(lǐng)域。它具備4V至18V的寬輸入電壓范圍和0.5V至7V的輸出電壓范圍，最大工作結(jié)溫可達(dá)125°C，能滿足多種復(fù)雜環(huán)境下的使用需求。

特性亮點

1. 先進(jìn)的控制架構(gòu)：采用固定頻率的先進(jìn)電流模式（ACM）控制架構(gòu)，具有內(nèi)部補(bǔ)償功能，無需復(fù)雜的外部補(bǔ)償設(shè)計，就能支持穩(wěn)定的靜態(tài)和瞬態(tài)操作。這種架構(gòu)還能通過內(nèi)部斜坡生成網(wǎng)絡(luò)模擬電感電流信息，可使用低ESR輸出電容器，如多層陶瓷電容器（MLCC），同時具備高信噪比，抗干擾能力強(qiáng)。
2. 集成化設(shè)計：集成了6.5mΩ和2mΩ的MOSFET、電感和基本無源元件，大大減少了外部元件數(shù)量，簡化了設(shè)計過程，同時也節(jié)省了電路板空間。
3. 靈活的參數(shù)選擇：提供三種可選的PWM斜坡選項，可優(yōu)化控制環(huán)路性能；還有五種可選的開關(guān)頻率（500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz），能根據(jù)實際需求進(jìn)行靈活調(diào)整，實現(xiàn)效率和尺寸的優(yōu)化。
4. 豐富的保護(hù)功能：具備輸出過壓、輸出欠壓、輸入欠壓、過流和過溫保護(hù)等多種保護(hù)功能，有效保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
5. 高精度電壓參考：在全溫度范圍內(nèi)，0.5V的電壓參考精度可達(dá)±1%，確保了輸出電壓的準(zhǔn)確性。
6. 軟啟動和預(yù)偏置輸出啟動：支持1ms、2ms、4ms和8ms的可選軟啟動時間，可減少轉(zhuǎn)換器的浪涌電流；還能在預(yù)偏置輸出條件下實現(xiàn)單調(diào)啟動，防止電流從輸出端放電。

引腳配置與功能

TPSM843A22E采用25引腳的B3QFN - RDG封裝，各引腳具有明確的功能：

• VOUT（1,20）：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓引腳。
• FB（2）：反饋引腳，用于連接電阻分壓器以設(shè)置輸出電壓，同時也是差分遠(yuǎn)程感測放大器的輸入。
• GOSNS（3）：接地感測返回引腳，也是差分遠(yuǎn)程感測放大器的輸入。
• AGND（4）：模擬接地返回引腳。
• BP5（5）：內(nèi)部模擬控制電路的旁路引腳，內(nèi)部已進(jìn)行旁路，無需外部旁路。
• VIN（6,7,14,15,23）：電源級的輸入電源引腳，需要對這些引腳到PGND進(jìn)行低阻抗旁路。
• PGND（8,9,12,13,21,22,24,25）：電源級的接地返回引腳，部分引腳還可作為熱過孔，幫助將設(shè)備的熱量散發(fā)到PCB上。
• SW（10）：轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點引腳，需保持浮空。
• BOOT（11）：內(nèi)部高端MOSFET柵極驅(qū)動器的電源引腳，保持浮空。
• EN（16）：使能引腳，可通過浮空、接高電平、使用外部信號或使用欠壓鎖定（UVLO）電阻來使能設(shè)備。
• PG（17）：開漏電源良好指示引腳。
• SYNC/FSEL（18）：頻率選擇和外部時鐘同步引腳，通過連接到AGND的電阻設(shè)置開關(guān)頻率，也可應(yīng)用外部時鐘進(jìn)行同步。
• MSEL（19）：通過連接到AGND的電阻選擇電流限制、軟啟動速率和PWM斜坡幅度設(shè)置。

電氣特性分析

絕對最大額定值

在使用TPSM843A22E時，需注意其絕對最大額定值，如引腳電壓、電流、結(jié)溫等參數(shù)，超出這些范圍可能會導(dǎo)致設(shè)備永久損壞。例如，VIN引腳電壓范圍為 - 0.3V至20V，VOUT引腳電壓范圍為 - 0.3V至7V等。

推薦工作條件

在推薦工作條件下，TPSM843A22E能發(fā)揮最佳性能。輸入電壓范圍為4V至18V，輸出電壓范圍為0.5V至7V，輸出電流最大可達(dá)12A，工作結(jié)溫范圍為 - 55°C至125°C。

典型特性

從典型特性曲線中，我們可以了解到TPSM843A22E在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，高側(cè)和低側(cè)FET的導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫的變化、過流限制和負(fù)過流限制隨結(jié)溫的變化等。這些特性有助于我們在設(shè)計時更好地評估和選擇合適的工作參數(shù)。

詳細(xì)特性描述

VIN引腳和VIN UVLO

VIN引腳為設(shè)備的內(nèi)部控制電路供電，并為電源級提供輸入電壓。當(dāng)VIN引腳電壓低于內(nèi)部UVLO閾值時，設(shè)備將被禁用。內(nèi)部VIN UVLO啟動閾值典型值為3.95V，具有150mV的遲滯。此外，還可通過EN引腳來使能設(shè)備。

內(nèi)部旁路（BP5）

BP5引腳是內(nèi)部模擬電路的旁路引腳，內(nèi)部已連接到轉(zhuǎn)換器的VCC和VDRV引腳，并帶有內(nèi)部旁路電容，無需外部旁路。

使能和可調(diào)UVLO

EN引腳用于控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。當(dāng)EN引腳電壓超過閾值時，設(shè)備開始啟動序列；當(dāng)EN引腳電壓低于閾值時，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)并進(jìn)入低工作電流狀態(tài)。此外，還可通過外部電阻分壓器實現(xiàn)可調(diào)UVLO功能。

開關(guān)頻率選擇

通過將電阻（RFSEL）從SYNC/FSEL引腳連接到AGND，可選擇設(shè)備的開關(guān)頻率。不同的電阻值對應(yīng)不同的開關(guān)頻率，如24.3kΩ對應(yīng)500kHz，17.4kΩ對應(yīng)750kHz等。

開關(guān)頻率同步到外部時鐘

TPSM843A22E可通過將方波時鐘信號施加到SYNC/FSEL引腳，與外部時鐘同步。外部時鐘的占空比需在20%至80%之間，且時鐘頻率需在SYNC/FSEL電阻設(shè)置頻率的±20%范圍內(nèi)。

遠(yuǎn)程感測放大器和輸出電壓調(diào)整

通過專用的高速、低偏移儀表放大器實現(xiàn)輸出電壓的遠(yuǎn)程感測。將輸出電壓設(shè)置電阻分壓器從輸出電壓感測點連接到GOSNS引腳，中心點連接到FB引腳，即可設(shè)置輸出電壓。

環(huán)路補(bǔ)償指南

TPSM843A22E采用先進(jìn)電流模式控制（ACM）架構(gòu)，為大多數(shù)應(yīng)用提供內(nèi)部反饋環(huán)路補(bǔ)償。在設(shè)計時，需考慮輸出濾波器電感、斜坡電容、輸出電容等因素的選擇，以確保環(huán)路穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

軟啟動和預(yù)偏置輸出啟動

在啟動過程中，設(shè)備可通過軟啟動功能逐漸增加參考電壓，減少轉(zhuǎn)換器的浪涌電流。軟啟動時間有1ms、2ms、4ms和8ms四種可選，通過MSEL引腳連接到AGND的電阻進(jìn)行選擇。在預(yù)偏置輸出條件下，設(shè)備可防止電流從輸出端放電。

MSEL引腳

MSEL引腳通過連接到AGND的單個電阻RMSEL來編程斜坡幅度、軟啟動時間和電流限制設(shè)置。不同的電阻值對應(yīng)不同的設(shè)置選項，用戶可根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇。

電源良好（PG）

PG引腳是一個開漏輸出引腳，需要外部上拉電阻來輸出高電平信號。當(dāng)FB引腳電壓在內(nèi)部電壓參考的92%至108%之間，軟啟動完成，并經(jīng)過256μs的消抖時間后，PG引腳被釋放并浮空。當(dāng)FB引腳電壓低于84%或高于116%的標(biāo)稱內(nèi)部參考電壓時，經(jīng)過8μs的消抖時間，PG引腳被拉低。

輸出過載保護(hù)

TPSM843A22E通過逐周期電流限制來保護(hù)輸出過載事件。在正電感電流和負(fù)電感電流條件下，分別有不同的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)出現(xiàn)過流情況時，設(shè)備會進(jìn)入打嗝模式，以保護(hù)設(shè)備安全。

輸出過壓和欠壓保護(hù)

當(dāng)檢測到輸出過壓時，設(shè)備會嘗試將輸出電壓放電到安全水平后再嘗試重啟；當(dāng)檢測到欠壓時，設(shè)備會進(jìn)入打嗝模式，等待七個軟啟動周期后再重啟。

過溫保護(hù)

當(dāng)芯片溫度超過165°C時，設(shè)備會關(guān)閉；當(dāng)溫度冷卻到低于滯后水平（通常為12°C）時，設(shè)備會重新啟動，且無需經(jīng)過打嗝模式。

輸出電壓放電

當(dāng)TPSM843A22E被啟用，但由于故障條件導(dǎo)致高端FET和低端FET被禁用時，輸出電壓放電模式將被啟用，通過打開從SW到PGND的放電FET來放電輸出電壓。

應(yīng)用與實現(xiàn)

典型應(yīng)用示例

以1.0V輸出、1MHz應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹了TPSM843A22E的設(shè)計過程：

1. 開關(guān)頻率選擇：根據(jù)實際需求和設(shè)備的最小導(dǎo)通時間，選擇合適的開關(guān)頻率。在這個示例中，選擇1000kHz的開關(guān)頻率，通過將11.8kΩ的電阻連接到FSEL引腳來設(shè)置。
2. 輸出電感選擇：模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的600nH電感。
3. 輸出電容選擇：需考慮輸出電壓紋波和負(fù)載電流變化的響應(yīng)。根據(jù)不同的計算公式，計算出滿足要求的最小輸出電容值，并選擇合適的電容類型和數(shù)量。在這個示例中，使用四個100μF、10V、X5R、1210陶瓷電容器。
4. 輸入電容選擇：輸入去耦陶瓷電容器需靠近IC放置，總電容至少為66μF，部分應(yīng)用可能需要額外的大容量電容。在這個示例中，使用了多種電容組合來滿足要求。
5. 可調(diào)欠壓鎖定：通過外部電阻分壓器調(diào)整欠壓鎖定（UVLO）閾值，確保設(shè)備在合適的輸入電壓下啟動和停止。
6. 輸出電壓電阻選擇：使用電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，選擇合適的電阻值并確保其精度。
7. 其他元件選擇：包括自舉電容、BP5電容、PG上拉電阻、電流限制選擇、軟啟動時間選擇、斜坡選擇等，都需要根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行合理選擇。

布局指南

良好的布局對于電源模塊的性能至關(guān)重要。在布局時，需遵循以下原則：

1. 盡量加寬VIN、PGND和SW走線，以降低走線阻抗，提高散熱性能。
2. 在PGND引腳附近使用多個過孔，并通過內(nèi)部層連接，以減少噪聲和幫助散熱。
3. 在VIN引腳附近使用過孔，并通過內(nèi)部層提供低阻抗連接。
4. 將1μF/25 - V/X6R或更好的陶瓷電容器從每個VIN連接到PGND引腳，并盡量靠近設(shè)備放置。
5. 將電感盡量靠近設(shè)備放置，以減少SW節(jié)點的布線長度。
6. 將FB分壓器的底部電阻盡量靠近IC的FB和GOSNS引腳放置，并保持上反饋電阻和前饋電容靠近IC。
7. 使用過孔將頂層的AGND島連接到內(nèi)部層的AGND島，并在一點將內(nèi)部AGND島連接到PGND。
8. 將FSEL和MSEL電阻連接到安靜的AGND島。

總結(jié)

TPSM843A22E是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的同步降壓模塊，具有豐富的特性和靈活的參數(shù)選擇，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。在設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，合理選擇各個參數(shù)和元件，并遵循良好的布局原則，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。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(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。