TPSM84A22電源模塊：高效集成，助力電子設(shè)計(jì)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPSM84A22電源模塊以其高度集成、高效穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來詳細(xì)了解一下這款電源模塊。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM84A22是一款輸入電壓范圍為8V至14V，輸出電壓范圍為1.2V至2.05V，最大輸出電流可達(dá)10A的同步降壓電源模塊。它將10A的DC/DC轉(zhuǎn)換器、功率MOSFET、屏蔽電感、輸入和輸出電容以及無源元件集成在一個低外形的封裝中，是一種易于使用的集成電源解決方案。

1.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

• 高度集成：內(nèi)部集成了輸入和輸出電容，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用無需額外的輸入或輸出電容，僅需一個電壓設(shè)置電阻即可完成設(shè)計(jì)，大大簡化了設(shè)計(jì)流程。
• 小尺寸：采用9mm x 15mm的封裝尺寸，最大高度僅2.3mm，且與TPSM84A21引腳兼容，便于在緊湊型設(shè)計(jì)中使用。
• 快速響應(yīng)：具有超快速的負(fù)載階躍響應(yīng)，能夠滿足嚴(yán)格的調(diào)節(jié)規(guī)格。
• 高效率：效率高達(dá)90%，有助于降低功耗，提高系統(tǒng)的整體效率。
• 精準(zhǔn)調(diào)節(jié)：輸出電壓精度可達(dá)1%，4MHz的開關(guān)頻率和同步外部時鐘功能，確保了穩(wěn)定的輸出。
• 寬溫度范圍：工作結(jié)溫范圍為 -40°C至 +125°C，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C至 +85°C，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。
• 低電磁干擾：符合EN55022 Class B排放標(biāo)準(zhǔn)，減少了對其他設(shè)備的干擾。

二、引腳配置與功能

TPSM84A22采用20引腳的QFM封裝，每個引腳都有其特定的功能：

• AGND（16）：模擬控制電路的零電壓參考，RSET應(yīng)連接在該引腳和VADJ之間，且不能與PGND連接。
• EN/UVLO（2）：使能和欠壓鎖定調(diào)節(jié)引腳，低電平時設(shè)備禁用，可通過電阻分壓器調(diào)節(jié)UVLO電壓。
• ILIM（3）：電流限制設(shè)置引腳，懸空時電流限制閾值為15A，連接47kΩ電阻到PGND可將閾值降低到11.25A。
• PGND（1,4,5,6,7, 8, 10, 18,20）：設(shè)備的電源地，應(yīng)連接到PCB的電源接地平面。
• PGOOD（12）：電源良好指示，為開漏輸出，輸出電壓超出設(shè)定值±5%或出現(xiàn)故障時拉低。
• VS+（14）：遠(yuǎn)程感測連接，連接到負(fù)載或設(shè)備引腳的VOUT以提高調(diào)節(jié)性能。
• SYNC（11）：外部時鐘同步引腳，可接收外部時鐘信號同步開關(guān)頻率。
• VADJ（15）：輸出電壓調(diào)節(jié)引腳，通過連接電阻到AGND設(shè)置輸出電壓。
• VG（13）：柵極驅(qū)動器電源引腳，可使用外部5V電源供電以提高效率。
• VIN（17,19）：輸入電壓引腳，提供轉(zhuǎn)換器所需的所有功率。
• VOUT（9）：輸出電壓引腳，外部輸出電容應(yīng)連接在該引腳和PGND之間。

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

在使用過程中，需要注意各個引腳的電壓和電流限制，以及機(jī)械沖擊、振動、溫度等參數(shù)的范圍，避免超過絕對最大額定值導(dǎo)致設(shè)備損壞。例如，輸入電壓VIN的范圍為 -0.3V至15V，EN/UVLO引腳的電壓范圍為 -0.3V至7V等。

3.2 ESD評級

該設(shè)備的人體模型（HBM）ESD評級為±2500V，帶電設(shè)備模型（CDM）ESD評級為±1500V，在存儲和處理過程中需采取靜電防護(hù)措施，防止MOS柵極受到靜電損壞。

3.3 推薦工作條件

為了確保設(shè)備的正常運(yùn)行，推薦的輸入電壓VIN范圍為8V至14V，輸出電壓VOUT范圍為1.2V至2.05V，輸出電流IOUT最大為10A，工作結(jié)溫TJ范圍為 -40°C至 +125°C，工作環(huán)境溫度TA范圍為 -40°C至 +85°C。

3.4 熱信息

TPSM84A22的結(jié)到環(huán)境熱阻RθJA為14.9°C/W，結(jié)到頂部表征參數(shù)ψJT為2.2°C/W，結(jié)到板表征參數(shù)ψJB為5.7°C/W。在設(shè)計(jì)時，需要考慮散熱問題，確保設(shè)備在正常溫度范圍內(nèi)工作。

3.5 電氣特性

在 -40°C至 +85°C的自由空氣溫度范圍內(nèi)，VIN = 12V，VOUT = 1.5V，IOUT = IOUT max，F(xiàn)SW = 4MHz的條件下，輸入電壓VIN范圍為8V至14V，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為1.2V至2.05V，輸出電壓紋波最大為9mV，效率最高可達(dá)89.0%等。

3.6 開關(guān)特性

開關(guān)頻率FSW在SYNC引腳懸空時為3.7MHz至4.3MHz，同步頻率范圍FSYNC為3.6MHz至4.4MHz，SYNC高閾值VSYNC - H為2.0V，低閾值VSYNC - L為0.8V，SYNC占空比DSYNC為20%至80%。

3.7 封裝規(guī)格

該設(shè)備重量為0.91克，符合UL 94 V - O阻燃標(biāo)準(zhǔn)，MTBF計(jì)算可靠性為30.6 MHrs（Per Bellcore TR - 332，50%應(yīng)力，TA = 40°C，地面良性）。

四、詳細(xì)特性分析

4.1 輸出電壓調(diào)節(jié)

通過VADJ引腳和RSET電阻可以調(diào)節(jié)輸出電壓，調(diào)節(jié)范圍為1.2V至2.05V。計(jì)算公式為： [V{OUT }=0.508 *left(frac{1}{R{SET }(k Omega)}+1right)(V)] [R{SET }=frac{1}{frac{V{OUT }}{0.508}-1}(k Omega)] 在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇合適的RSET電阻值來設(shè)置輸出電壓。

4.2 輸入和輸出電容

TPSM84A22內(nèi)部已經(jīng)集成了14.2μF（標(biāo)稱）的陶瓷輸入電容和135μF（標(biāo)稱）的陶瓷輸出電容，通常無需額外的輸入或輸出電容。但對于需要降低紋波電壓或改善瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，可以在VIN和VOUT引腳直接添加陶瓷電容。

4.3 瞬態(tài)響應(yīng)

該設(shè)備具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)能力，許多應(yīng)用在幾乎不需要額外輸出電容的情況下也能正常工作。通過典型的瞬態(tài)波形圖可以看到，在負(fù)載階躍變化時，輸出電壓的過沖和恢復(fù)時間都能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 振蕩器頻率

轉(zhuǎn)換器的振蕩器頻率固定為4MHz，每相開關(guān)頻率為2MHz。在負(fù)載瞬變期間，內(nèi)部控制環(huán)路會暫時改變開關(guān)頻率以滿足輸出電壓的恢復(fù)。

4.5 外部時鐘同步

通過SYNC引腳可以連接外部時鐘信號，使設(shè)備的開關(guān)事件與板上的主時鐘同步。內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）允許在標(biāo)稱振蕩器頻率的±10%范圍內(nèi)進(jìn)行同步。

4.6 軟啟動

TPSM84A22具有預(yù)編程的軟啟動時間，典型值為4.1ms。軟啟動功能可以限制浪涌電流，減少對輸入電源的負(fù)載。

4.7 電源良好指示（PGOOD）

PGOOD引腳為開漏輸出，當(dāng)輸出電壓在設(shè)定值的±5%范圍內(nèi)時，該引腳釋放下拉，變?yōu)楦唠娖?。建議使用10kΩ至100kΩ的上拉電阻連接到不超過5.5V的電壓源。

4.8 柵極驅(qū)動器（VG）

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器在VG引腳產(chǎn)生4.8V的內(nèi)部電源軌，為了提高轉(zhuǎn)換器效率，建議使用外部5V電源連接到VG引腳。

4.9 預(yù)偏置輸出啟動

該設(shè)備能夠防止低端MOSFET對預(yù)偏置輸出進(jìn)行放電，確保在預(yù)偏置啟動時的穩(wěn)定性。

4.10 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過135°C（典型值）時，內(nèi)部熱關(guān)斷故障觸發(fā)，輸出變?yōu)楦咦杩埂．?dāng)結(jié)溫下降到115°C（典型值）以下時，設(shè)備重新啟動。

4.11 過流保護(hù)

TPSM84A22具有輸出過流保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載超過過流閾值時，輸出關(guān)閉，PGOOD引腳拉低。故障排除后，設(shè)備自動恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.12 輸出欠壓/過壓保護(hù)

設(shè)備內(nèi)置輸出欠壓/過壓保護(hù)電路，當(dāng)VADJ引腳電壓低于標(biāo)稱內(nèi)部參考電壓的90%或高于110%時，模塊關(guān)閉，PGOOD引腳拉低。

4.13 使能（EN）

EN引腳提供設(shè)備的電氣開關(guān)控制，當(dāng)引腳電壓超過閾值時，設(shè)備開始工作；低于閾值時，模塊停止開關(guān)并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

4.14 欠壓鎖定（UVLO）

設(shè)備在VIN引腳實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部UVLO電路，當(dāng)VIN引腳電壓低于內(nèi)部VIN UVLO閾值時，設(shè)備禁用。可通過外部電阻分壓器調(diào)整UVLO閾值。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 應(yīng)用領(lǐng)域

TPSM84A22適用于電信和無線基礎(chǔ)設(shè)施、測試和測量、緊湊型PCI/PCI Express/PXI Express等領(lǐng)域，能夠?yàn)檫@些應(yīng)用提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。

5.2 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，TPSM84A22只需要一個電壓設(shè)置電阻和可能的PGOOD引腳拉上電阻。設(shè)計(jì)步驟如下：

• 設(shè)置輸出電壓：根據(jù)公式計(jì)算RSET電阻值，選擇合適的電阻來設(shè)置輸出電壓。
• 輸入和輸出電容：通常無需額外的輸入或輸出電容，若有需要可添加以改善性能。
• 電源良好指示（PGOOD）：使用10kΩ的上拉電阻連接到外部5V電源，以提供電壓軌排序功能。
• 外部VG電壓：為了獲得最佳效率，使用外部5V電源連接到VG引腳。

六、電源供應(yīng)建議

TPSM84A22設(shè)計(jì)用于8V至14V的輸入電壓范圍，輸入電源應(yīng)具有良好的調(diào)節(jié)能力，能夠承受最大輸入電流并保持穩(wěn)定的電壓。如果輸入電源距離設(shè)備較遠(yuǎn)，可能需要在輸入引腳添加額外的大容量電容。

七、布局設(shè)計(jì)

7.1 布局指南

為了實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要優(yōu)化PCB布局：

• 使用大面積的銅箔作為電源平面（VIN、VOUT和PGND），以減少傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 輸入和輸出陶瓷電容應(yīng)靠近設(shè)備引腳放置，以減少高頻噪聲。
• 額外的輸出電容應(yīng)放置在陶瓷電容和負(fù)載之間。
• 保持AGND和PGND分開，它們在設(shè)備內(nèi)部連接。
• RSET電阻應(yīng)盡可能靠近VADJ引腳。
• 使用多個過孔將電源平面連接到內(nèi)部層。

7.2 布局示例

文檔中提供了多種布局示例，包括最小組件布局、帶有VS + 跡線的內(nèi)部層布局以及添加了額外陶瓷電容的布局等，工程師可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

7.3 EMI性能

TPSM84A22符合EN55022 Class B輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，文檔中給出了不同輸入輸出電壓和負(fù)載條件下的輻射發(fā)射圖，為工程師評估設(shè)備的電磁兼容性提供了參考。

八、設(shè)備與文檔支持

8.1 文檔支持

相關(guān)文檔包括TPSM84A21數(shù)據(jù)手冊、TPS54A20數(shù)據(jù)手冊等，工程師可以通過TI官網(wǎng)獲取這些文檔。

8.2 文檔更新通知

在TI官網(wǎng)的設(shè)備產(chǎn)品文件夾中，點(diǎn)擊“Alert me”注冊，即可接收產(chǎn)品信息更新的每周摘要。

8.3 社區(qū)資源

TI提供了E2E?在線社區(qū)和設(shè)計(jì)支持等資源，工程師可以在社區(qū)中與其他工程師交流，獲取幫助和解決問題。

8.4 商標(biāo)信息

SWIFT、E2E是德州儀器的商標(biāo)，WEBENCH是德州儀器的注冊商標(biāo)。

8.5 靜電放電注意事項(xiàng)

由于設(shè)備的ESD保護(hù)有限，在存儲或處理時應(yīng)將引腳短路或放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止MOS柵極受到靜電損壞。

8.6 術(shù)語表

SLYZ022 - TI Glossary提供了相關(guān)術(shù)語、首字母縮寫和定義的解釋。

九、機(jī)械、包裝與訂購信息

文檔提供了設(shè)備的機(jī)械尺寸、包裝形式（如TAPE AND REEL）以及訂購信息，包括不同包裝類型的詳細(xì)參數(shù)和訂購編號等，方便工程師進(jìn)行采購。

綜上所述，TPSM84A22電源模塊以其豐富的功能、出色的性能和便捷的設(shè)計(jì)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求，結(jié)合上述介紹的各個方面，合理設(shè)計(jì)和使用該模塊，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。