TPSM82843x系列降壓轉(zhuǎn)換器：低功耗設(shè)計的理想之選

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，對于電源管理芯片的需求日益多樣化，尤其是在對功耗敏感、尺寸要求嚴格的應(yīng)用場景中，一款性能卓越的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。德州儀器（TI）推出的TPSM82843x系列降壓轉(zhuǎn)換器，以其超低靜態(tài)電流、高集成度和出色的效率，成為眾多應(yīng)用的理想選擇。本文將深入探討該系列轉(zhuǎn)換器的特性、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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二、TPSM82843x系列概述

TPSM82843x系列是一組高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍為1.8V至5.5V，輸出電壓范圍可在0.4V至3.6V之間靈活調(diào)整。該系列在設(shè)計上集成了電感，采用QFN封裝，顯著減少了外部元件數(shù)量，降低了物料清單成本，同時也提高了使用的便捷性。

2.1 主要特性

1. 超低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流僅275nA，關(guān)機電流低至4nA，這使得它在電池供電的應(yīng)用中能夠大幅延長電池使用壽命。
2. 高精度輸出電壓：通過集成輸出分壓電阻實現(xiàn)零反饋誤差，并且能夠通過VSET引腳連接單個電阻實現(xiàn)1%精度的電壓選擇。不同型號的輸出電壓范圍有所不同，例如TPSM828436為0.4V至0.8V，TPSM828437為0.8V至1.8V，TPSM828438為1.8V至3.6V。
3. 成本和尺寸優(yōu)化：支持低至4.7μF的輸入和輸出電容，可使用0402和0201等小型電容器，有效減小了PCB面積。
4. 低輸出電壓紋波：采用RF友好且快速瞬態(tài)的DCS-Control（直接控制與無縫過渡到PFM模式）拓撲，在節(jié)能模式下能夠?qū)崿F(xiàn)低輸出電壓紋波，并且可自動過渡到無紋波的100%模式。
5. 小尺寸封裝：采用2.45mm × 2.70mm × 1.29mm的小尺寸QFN封裝，適合對空間要求苛刻的應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 無線應(yīng)用：如藍牙低功耗（BLE）遙控器、無線傳感器、信標以及物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi電池驅(qū)動節(jié)點等，超低的靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率能夠滿足其長時間續(xù)航的需求。
• 工業(yè)應(yīng)用：智能電表、熱量表、遙測以及數(shù)據(jù)記錄器、預(yù)測性維護設(shè)備等，其高精度的輸出電壓和穩(wěn)定的性能可確保工業(yè)設(shè)備的可靠運行。
• 其他應(yīng)用：可編程邏輯控制器（PLC）負載點、可穿戴電子設(shè)備、耳機、助聽器等。

三、器件詳細分析

3.1 器件比較

3.2 引腳配置與功能

3.3 關(guān)鍵特性詳細解析

1. 智能使能與關(guān)機（EN）：內(nèi)部500kΩ電阻將EN引腳拉至地，防止引腳浮空，避免在無法安全將EN引腳驅(qū)動為低電平時設(shè)備不受控制地啟動。EN為低電平時，設(shè)備進入關(guān)機模式；EN為高電平時，設(shè)備開啟，內(nèi)部控制邏輯和參考電源上電后，下拉控制電路斷開EN引腳上的下拉電阻。當EN再次變?yōu)榈碗娖綍r，設(shè)備進入關(guān)機模式，下拉電阻重新激活。
2. 軟啟動：當EN引腳置為高電平使能設(shè)備后，在啟動延遲時間(t_{Startupdelay})內(nèi)，設(shè)備初始化并為內(nèi)部電路上電。(t{Startupdelay})結(jié)束后，內(nèi)部軟啟動電路在軟啟動時間(t{ss})內(nèi)將輸出電壓斜坡上升。啟動延遲時間會根據(jù)所選的VSET值而變化，(VSET = 0)時啟動延遲最短，其他值時啟動延遲較長。
3. VSET引腳：輸出電壓選擇：通過在VSET引腳和地之間連接一個外部電阻來設(shè)置輸出電壓。設(shè)備使能后，在啟動延遲時間內(nèi)進行R2D（電阻到數(shù)字）轉(zhuǎn)換，檢測外部電阻(R_{SET})。內(nèi)部電流源通過外部電阻施加電流，內(nèi)部ADC讀取產(chǎn)生的電壓電平，根據(jù)該電平選擇內(nèi)部反饋分壓網(wǎng)絡(luò)以設(shè)置正確的輸出電壓。轉(zhuǎn)換完成后，電流源關(guān)閉以避免電流流過外部電阻。需要注意的是，在R2D轉(zhuǎn)換期間，要確保沒有額外的電流路徑或總電容大于30pF接地，否則會導(dǎo)致錯誤的輸出電壓設(shè)置。
4. 欠壓鎖定（UVLO）：為防止設(shè)備在低輸入電壓下誤操作，UVLO比較器監(jiān)測電源電壓。當輸入電壓下降到1.7V（最大）時，設(shè)備關(guān)閉；當輸入電壓上升到1.8V（最大）時，設(shè)備啟動。設(shè)備從欠壓鎖定狀態(tài)恢復(fù)運行后，其行為如同被重新使能，內(nèi)部控制邏輯上電并讀取VSET引腳上的外部電阻。
5. 開關(guān)電流限制與短路保護：該轉(zhuǎn)換器在高端和低端MOSFET上集成了電流限制功能，以保護設(shè)備免受過載或短路情況的影響。逐周期監(jiān)測開關(guān)中的電流，當高端MOSFET電流達到限制值時，高端MOSFET關(guān)斷，低端MOSFET導(dǎo)通以降低電感電流；當通過低端開關(guān)的電感電流下降到低于低端MOSFET電流限制值時，低端MOSFET關(guān)斷，高端MOSFET再次導(dǎo)通。
6. 熱關(guān)斷：內(nèi)部溫度傳感器監(jiān)測器件的結(jié)溫(T{J})，當(T{J})超過典型值160°C的熱關(guān)斷溫度(T{SD})時，設(shè)備進入熱關(guān)斷狀態(tài)，高端和低端功率FET均關(guān)斷。當(T{J})下降到低于典型值20°C的滯后量時，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)運行，從軟啟動開始恢復(fù)到最初設(shè)置的(V{OUT})，此時不會對(R{SET})進行R2D轉(zhuǎn)換。熱關(guān)斷在節(jié)能模式下不活躍。
7. 輸出電壓放電：當設(shè)備禁用時，輸出放電功能確保輸出電壓按預(yù)定方式下降，并將輸出電壓保持接近0V。內(nèi)部放電電阻連接到VOS引腳，設(shè)備禁用后放電功能立即啟用，保持放電功能活躍所需的最小電源電壓為(V_{IN}>VTH_UVLO -) 。

3.4 器件功能模式

1. 節(jié)能模式操作：DCS-Control拓撲支持節(jié)能模式操作。在輕載情況下，設(shè)備以PFM（脈沖頻率調(diào)制）模式運行，產(chǎn)生單個開關(guān)脈沖來提升電感電流并對輸出電容充電，隨后進入睡眠周期，在此期間大多數(shù)內(nèi)部電路關(guān)閉以實現(xiàn)最低的靜態(tài)電流。睡眠周期的持續(xù)時間取決于負載電流和電感峰值電流，在睡眠期間，電流消耗降至典型的275nA。在中高負載條件下，設(shè)備自動進入PWM（脈沖寬度調(diào)制）模式，以標稱開關(guān)頻率(f_{sw})（典型為1.5MHz）在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行。PWM和PFM模式之間的邊界是電感電流變得不連續(xù)的時候，由于DCS-Control支持在一個單一模塊內(nèi)實現(xiàn)兩種運行模式，從PWM到PFM模式的過渡無縫且輸出電壓紋波最小。
2. 100%模式操作：在PWM模式下運行的降壓轉(zhuǎn)換器的占空比為(D = V{OUT}/V{IN})，當輸入電壓接近輸出電壓時，占空比增加。在100%占空比模式下，設(shè)備保持高端開關(guān)持續(xù)導(dǎo)通，只要輸出電壓低于內(nèi)部設(shè)定點，高端開關(guān)就會一直保持導(dǎo)通，從而實現(xiàn)小輸入到輸出電壓差的轉(zhuǎn)換。

四、應(yīng)用與設(shè)計要點

4.1 典型應(yīng)用電路

TPSM82843的典型應(yīng)用電路設(shè)計簡潔，僅需少量外部元件。其輸出電容值可在4μF（有效）至25μF（有效）之間選擇，輸出電容會影響應(yīng)用曲線，特別是輕載效率和負載階躍響應(yīng)。較小的輸出電容會導(dǎo)致較高的開關(guān)頻率和較低的輕載效率，但有助于使開關(guān)頻率避開音頻頻段，不過在負載瞬變時電壓變化較大；而較大的電容可以減小負載瞬變時的電壓變化。

4.2 設(shè)計要求與詳細步驟

典型應(yīng)用電路所需的外部元件包括一個4.7μF的陶瓷輸入電容（如Murata的GRM155R60J475ME47D，0402封裝）、一個10μF的陶瓷輸出電容（如Murata的GRM155R60J106ME15D，0402封裝）以及一個用于設(shè)置輸出電壓的外部電阻(R_{SET}) 。設(shè)計時應(yīng)按照典型應(yīng)用電路進行無源元件的選擇，確保電路的穩(wěn)定性和性能。

4.3 應(yīng)用曲線

文檔中提供了不同輸入電壓、輸出電壓和溫度條件下的效率曲線、輸出電壓與輸出電流曲線、開關(guān)頻率與輸出電流曲線以及負載瞬變、線路瞬變和啟動延遲時間等測試曲線，這些曲線有助于工程師在實際應(yīng)用中更好地了解和優(yōu)化電路性能。

4.4 電源供應(yīng)建議

電源必須根據(jù)TPSM82843的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流提供足夠的電流額定值，以確保設(shè)備正常工作。

4.5 PCB布局要點

• 布局準則：TPSM82843的引腳布局設(shè)計便于在PCB頂層進行IC和關(guān)鍵無源元件（如CIN、COUT和VSET電阻）的布線，同時支持使用0201（0603公制）尺寸的電容和電阻。在PCB布局時，要確保提供低電感、低阻抗的接地路徑，使用寬而短的走線作為主要電流路徑。輸入電容應(yīng)盡可能靠近IC的VIN和GND引腳放置，輸出電容應(yīng)無過孔地盡可能靠近VOUT和GND引腳放置。VOS線是敏感的高阻抗輸入，應(yīng)直接用走線從輸出電容焊盤連接到器件引腳，并遠離嘈雜的元件和走線（如SW線）或其他噪聲源。
• 布局示例：參考文檔中的布局示例，可幫助工程師更好地進行實際設(shè)計，確保電路性能達到最佳。

五、總結(jié)

TPSM82843x系列降壓轉(zhuǎn)換器以其超低靜態(tài)電流、高集成度、寬輸入輸出電壓范圍、出色的效率和多種保護功能，為電子工程師在設(shè)計低功耗、小尺寸的電源管理解決方案時提供了一個優(yōu)秀的選擇。無論是在無線應(yīng)用、工業(yè)設(shè)備還是可穿戴電子等領(lǐng)域，它都能夠滿足不同的設(shè)計需求。然而，在實際應(yīng)用中，工程師仍需根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇器件型號、進行外部元件的選型和PCB布局設(shè)計，以充分發(fā)揮該系列轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢。

你在使用TPSM82843x系列降壓轉(zhuǎn)換器的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對其在特定應(yīng)用中的性能表現(xiàn)有什么獨特的見解嗎？歡迎在評論區(qū)分享交流。