TPSM8291x 低噪聲降壓電源模塊：特性、應(yīng)用與設(shè)計指南

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于低噪聲、低紋波電源的需求日益增長。德州儀器（TI）的 TPSM8291x 系列 3 - V 至 17 - V、2 - A/3 - A 低噪聲和低紋波降壓電源模塊，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多噪聲敏感應(yīng)用的理想選擇。本文將深入探討 TPSM8291x 模塊的特性、應(yīng)用場景以及詳細(xì)的設(shè)計要點。

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一、TPSM8291x 模塊特性剖析

1. 卓越的噪聲與紋波特性

TPSM8291x 模塊具有極低的輸出噪聲和紋波，輸出噪聲小于 20 μV_RMS（100 Hz 至 100 kHz），經(jīng)過鐵氧體磁珠后輸出電壓紋波小于 10 μV_RMS。同時，它還擁有大于 65 dB（高達(dá) 100 kHz）的高電源抑制比（PSRR），能夠有效減少電源干擾對系統(tǒng)的影響。

2. 靈活的控制與調(diào)制選項

該模塊采用 2.2 - MHz 或 1 - MHz 固定頻率峰值電流模式控制，并支持與外部時鐘同步。此外，還集成了環(huán)路補(bǔ)償功能，可配合鐵氧體磁珠實現(xiàn)二階 L - C 濾波器，衰減達(dá) 30 dB。同時，還提供可選的擴(kuò)頻調(diào)制功能，有助于降低 DC/DC 開關(guān)頻率的雜散信號。

3. 廣泛的電壓范圍與高精度輸出

輸入電壓范圍為 3.0 - V 至 17 - V，輸出電壓范圍為 0.8 - V 至 5.5 - V，能夠滿足多種不同應(yīng)用的需求。輸出電壓精度達(dá)到 ±1%，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 豐富的功能特性

具備精確的使能輸入，允許用戶自定義欠壓鎖定和精確的時序控制；可調(diào)節(jié)軟啟動功能，避免啟動時的電流沖擊；電源良好輸出信號（PG）可用于判斷電源狀態(tài)；還提供可選的輸出放電功能。其工作結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 125°C，- ET 版本的工作溫度范圍更寬，可達(dá) - 55°C 至 125°C。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

TPSM8291x 模塊適用于多種對噪聲敏感的應(yīng)用場景，如電信基礎(chǔ)設(shè)施、測試與測量設(shè)備、航空航天與國防（雷達(dá)、航空電子設(shè)備）以及醫(yī)療設(shè)備等。在這些應(yīng)用中，低噪聲和低紋波的電源對于保證系統(tǒng)的性能和精度至關(guān)重要。

三、模塊詳細(xì)描述

1. 工作原理與架構(gòu)

TPSM8291x 是一款高效的低噪聲、低紋波電流模式同步降壓電源模塊。它通過對內(nèi)部參考電壓進(jìn)行濾波，實現(xiàn)了類似于低噪聲 LDO 的低噪聲輸出。模塊采用 2.2 - μH 集成電感，工作在 2.2 MHz 或 1 MHz 的固定開關(guān)頻率下，并可與外部時鐘同步。通過添加可選的二階 L - C 濾波器，可進(jìn)一步降低輸出電壓紋波。

2. 功能特性詳解

• 智能配置（S - CONF）：通過 S - CONF 引腳連接不同阻值的電阻，可配置模塊的開關(guān)頻率、擴(kuò)頻調(diào)制、輸出放電和同步等功能。具體配置選項可參考文檔中的表格。
• 設(shè)備使能與同步（EN/SYNC）：將 EN/SYNC 引腳拉高可使能設(shè)備，使能后根據(jù) S - CONF 引腳的配置設(shè)置工作模式。該引腳還可用于設(shè)備同步，外部時鐘頻率需在 S - CONF 引腳設(shè)置的同步頻率范圍內(nèi)。
• 擴(kuò)頻調(diào)制：可選的擴(kuò)頻調(diào)制功能通過兩種不同的調(diào)制方案（隨機(jī)或三角調(diào)制）將開關(guān)頻率擴(kuò)展到更大的頻率范圍，從而降低輸出頻譜中的雜散信號，適用于對噪聲敏感的 ADC 等應(yīng)用。
• 輸出放電：根據(jù) S - CONF 設(shè)置，可啟用或禁用輸出放電功能。啟用時，輸出電壓通過約 7 Ω 的放電電阻拉低，在熱關(guān)斷、欠壓鎖定或 EN/SYNC 引腳拉低時起作用。
• 欠壓鎖定（UVLO）：為避免在低輸入電壓下誤操作，當(dāng)輸入電壓高于欠壓鎖定閾值時設(shè)備啟用，低于該閾值時設(shè)備禁用。
• 電源良好輸出（PG）：PG 引腳為開漏輸出，當(dāng) FB 引腳電壓高于標(biāo)稱電壓的 95% 時，PG 引腳呈高阻態(tài)；低于標(biāo)稱電壓的 90% 時，PG 引腳被拉低。可用于多個電源軌的時序控制。
• 噪聲降低與軟啟動電容（NR/SS）：連接到 NR/SS 引腳的電容可降低轉(zhuǎn)換器的低頻噪聲并設(shè)置軟啟動時間。電容越大，噪聲越低，啟動時間越長。模塊內(nèi)部已連接 220 - nF 電容，默認(rèn)啟動時間為 2.35 ms。
• 電流限制與短路保護(hù)：模塊具備短路和過流保護(hù)功能。當(dāng)電感電流達(dá)到閾值 I_SWpeak 時，高端 MOSFET 關(guān)斷，低端 MOSFET 導(dǎo)通以降低電感電流。同時，低端 MOSFET 還設(shè)有負(fù)電流限制，防止電流反向流動。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過約 170°C 時，模塊進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，具有 20°C 的遲滯。

3. 設(shè)備功能模式

• 固定頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）：為最小化輸出電壓紋波，模塊在輕載至滿載范圍內(nèi)均采用固定頻率 PWM 模式工作?？赏ㄟ^ S - CONF 引腳選擇 1 MHz 或 2.2 MHz 的開關(guān)頻率。
• 低占空比操作：對于高輸入電壓或低輸出電壓的情況，70 - ns 的最小導(dǎo)通時間限制了輸入輸出電壓差和開關(guān)頻率的選擇。當(dāng)達(dá)到最小導(dǎo)通時間時，輸出電壓會超過調(diào)節(jié)點。
• 高占空比操作（100% 占空比）：當(dāng)輸入輸出電壓差較小時，模塊進(jìn)入 100% 占空比模式，高端 MOSFET 持續(xù)導(dǎo)通。維持輸出電壓調(diào)節(jié)所需的最小輸入電壓可根據(jù)公式計算。
• 二階 L - C 濾波器補(bǔ)償（可選）：對于大多數(shù)低噪聲和低紋波應(yīng)用，如 ADC、DAC 和抖動清除器等，可添加二階 L - C 濾波器進(jìn)一步衰減輸出電壓紋波。模塊內(nèi)部已對 L - C 濾波器產(chǎn)生的雙極點進(jìn)行了補(bǔ)償，以提高負(fù)載調(diào)節(jié)性能。

四、設(shè)計與應(yīng)用要點

1. 典型應(yīng)用電路

文檔中給出了典型的應(yīng)用電路圖，包括輸入電容、輸出電容、鐵氧體磁珠、反饋電阻等元件的連接方式。詳細(xì)的元件清單可參考文檔中的表格。

2. 設(shè)計要求與優(yōu)化思路

外部元件的選擇需要滿足應(yīng)用需求，并確?？刂骗h(huán)路的穩(wěn)定性。設(shè)計時可根據(jù)不同的應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，如效率、輸出紋波、元件數(shù)量和最低噪聲等。對于輸入電壓 ≤ 6 V 的應(yīng)用，建議使用 2.2 - MHz 開關(guān)頻率；輸入電壓 > 6 V 的應(yīng)用，可使用 1 - MHz 開關(guān)頻率以提高效率。對于需要 3.3 - V 輸出的時鐘和 PLL 電路，使用 2.2 - MHz 開關(guān)頻率可最小化輸出電壓紋波和低頻噪聲。

3. 詳細(xì)設(shè)計步驟

• 定制設(shè)計（WEBENCH 工具）：可使用 TI 的 WEBENCH? Power Designer 進(jìn)行定制設(shè)計，只需輸入輸入電壓、輸出電壓和輸出電流等要求，即可優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，并獲得定制的原理圖、物料清單以及實時定價和元件可用性信息。
• 外部元件選擇
  • 開關(guān)頻率選擇：根據(jù)效率和紋波要求選擇開關(guān)頻率，并通過計算占空比和導(dǎo)通時間來確保選擇的開關(guān)頻率滿足最小導(dǎo)通時間要求。
  • 輸出電容選擇：單 L - C 系統(tǒng)設(shè)計中，有效輸出電容范圍為 40 μF 至 200 μF；使用二階 L - C 濾波器時，第一級 L - C 濾波器的輸出電容應(yīng)在 40 μF 至 80 μF 之間，第二級至少為 20 μF，且兩級總電容不超過 200 μF。建議使用陶瓷電容（X5R 或 X7R），并注意其 DC - Bias 效應(yīng)和 ESR、ESL 值。
  • 鐵氧體磁珠選擇：選擇在滿載時具有足夠高電感和低直流電阻（低于 10 mΩ）的鐵氧體磁珠，推薦在 100 MHz 時阻抗為 8 Ω 至 20 Ω 的磁珠。內(nèi)部補(bǔ)償設(shè)計可確保在二階濾波器電感高達(dá) 50 nH 時穩(wěn)定工作。
  • 輸入電容選擇：建議使用 X5R 或 X7R 陶瓷電容，輸入大容量電容可最小化輸入電壓紋波，同時還需在 VIN 引腳和 PGND 引腳之間放置小電容以減小輸入環(huán)路寄生電感。
  • 輸出電壓設(shè)置：通過選擇合適的電阻 R1 和 R2 來設(shè)置輸出電壓，范圍為 0.8 V 至 5.5 V。為提高反饋網(wǎng)絡(luò)的抗噪聲能力，可將 R2 設(shè)置為 5 kΩ 或更低。可選的前饋電容（C_FF）可進(jìn)一步改善輸出噪聲，但需注意其對電源良好（PG）功能的影響。
  • NR/SS 電容選擇：NR/SS 電容影響總噪聲和軟啟動時間，推薦值為 220 nF，最大為 3.3 μF，對應(yīng)啟動時間為 35 ms?？筛鶕?jù)所需的軟啟動時間或所選電容值計算軟啟動時間。

4. 布局建議

• 輸入電容應(yīng)盡可能靠近模塊的 VIN 和 PGND 引腳，避免使用過孔。
• 輸出電容的接地端應(yīng)靠近 PGND 引腳，直接布線，避免過孔。
• 敏感走線（如連接到 NR/SS 和 FB 引腳的走線）應(yīng)采用短走線，并遠(yuǎn)離噪聲源。
• PSNS 引腳應(yīng)通過過孔直接連接到系統(tǒng)地平面。
• SW 引腳必須浮空，不得連接到任何外部元件。
• 二階 L - C 濾波器應(yīng)靠近負(fù)載放置，以減少輻射耦合。
• FB 電阻應(yīng)靠近 FB 引腳放置，VOUT 連接應(yīng)作為遠(yuǎn)程感測走線連接到負(fù)載。

五、總結(jié)

TPSM8291x 系列降壓電源模塊以其低噪聲、低紋波、靈活的控制和豐富的功能特性，為電子工程師在設(shè)計噪聲敏感應(yīng)用時提供了一個優(yōu)秀的解決方案。通過合理選擇外部元件和優(yōu)化 PCB 布局，可充分發(fā)揮該模塊的性能優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用的需求。在實際設(shè)計過程中，工程師們還需根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行詳細(xì)的測試和驗證，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用 TPSM8291x 模塊進(jìn)行設(shè)計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。