TPSM843A26E：高性能同步降壓模塊的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）推出的TPSM843A26E，一款16A的高性能同步降壓模塊。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM843A26E是一款集成度高、性能卓越的同步降壓模塊，適用于輸入電壓范圍為4V至18V、輸出電壓范圍為0.5V至7V的應(yīng)用場(chǎng)景。它采用了內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓潭l率先進(jìn)電流模式（ACM）控制架構(gòu)，能夠在高達(dá)2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率下高效工作。該模塊集成了兩個(gè)N溝道MOSFET、電感和多個(gè)無(wú)源元件，具有多種可選擇的開(kāi)關(guān)頻率和軟啟動(dòng)時(shí)間，還具備完善的故障保護(hù)功能，適用于航空航天、醫(yī)療保健等對(duì)電源要求較高的領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵特性

2.1 控制模式與頻率選擇

• 先進(jìn)電流模式（ACM）控制：這是一種模擬峰值電流模式控制拓?fù)?，無(wú)需復(fù)雜的外部補(bǔ)償設(shè)計(jì)，就能支持穩(wěn)定的靜態(tài)和瞬態(tài)操作。內(nèi)部的斜坡生成網(wǎng)絡(luò)模擬電感電流信息，使得可以使用低ESR輸出電容器，如多層陶瓷電容器（MLCC），同時(shí)提高了信噪比，增強(qiáng)了抗噪能力。
• 多頻率選擇：提供了500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz五種可選擇的開(kāi)關(guān)頻率，可通過(guò)連接一個(gè)電阻到AGND來(lái)設(shè)置。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小解決方案的尺寸，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行權(quán)衡。

2.2 輸出電壓調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)程感應(yīng)

• 輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.5V至7V，可通過(guò)連接到FB引腳的電阻分壓器進(jìn)行編程。使用1%公差或更好的電阻，以確保輸出電壓的精度。
• 遠(yuǎn)程感應(yīng)放大器：通過(guò)專用的高速、低偏移儀表放大器實(shí)現(xiàn)輸出電壓的遠(yuǎn)程感應(yīng)，提高了輸出電壓的調(diào)節(jié)精度。

2.3 軟啟動(dòng)與預(yù)偏置輸出啟動(dòng)

• 軟啟動(dòng)功能：在啟動(dòng)過(guò)程中，模塊會(huì)將參考電壓從0緩慢增加到最終值，從而減少轉(zhuǎn)換器的浪涌電流。提供1ms、2ms、4ms和8ms四種軟啟動(dòng)時(shí)間選擇，可通過(guò)MSEL引腳的電阻進(jìn)行設(shè)置。
• 預(yù)偏置輸出啟動(dòng)：在啟動(dòng)前存在預(yù)偏置輸出的情況下，模塊可以防止輸出電流放電，確保啟動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性。

2.4 保護(hù)功能

• 過(guò)流保護(hù)：通過(guò)逐周期電流限制對(duì)高側(cè)和低側(cè)MOSFET進(jìn)行保護(hù)，在長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流情況下進(jìn)入打嗝模式。高側(cè)和低側(cè)的過(guò)流閾值可通過(guò)MSEL引腳進(jìn)行編程，有“高”和“低”兩種設(shè)置。
• 過(guò)壓和欠壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到輸出過(guò)壓時(shí)，模塊會(huì)嘗試將輸出電壓放電到安全水平后再重啟；當(dāng)檢測(cè)到輸出欠壓時(shí)，模塊會(huì)進(jìn)入打嗝模式，等待七個(gè)軟啟動(dòng)周期后再重啟。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過(guò)165°C時(shí)，模塊會(huì)關(guān)閉；當(dāng)溫度冷卻到滯后水平（通常為12°C）以下時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)重啟。

三、引腳配置與功能

TPSM843A26E采用25引腳的B3QFN - RDG封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能：

• 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。
• GOSNS（3）：接地感應(yīng)返回引腳，是差分遠(yuǎn)程感應(yīng)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(wú)需外部旁路。
• VIN（6,7,14,15,23）：電源級(jí)的輸入電源引腳，需要低阻抗旁路到PGND。
• PGND（8,9,12,13,21,22,24,25）：電源級(jí)的接地返回引腳，部分引腳還可作為熱過(guò)孔幫助散熱。
• SW（10）：轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，應(yīng)保持浮空。
• BOOT（11）：內(nèi)部高側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器的電源引腳，應(yīng)保持浮空。
• EN（16）：使能引腳，可通過(guò)浮空、接高電平、外部信號(hào)或使用UVLO電阻來(lái)使能設(shè)備。
• PG（17）：開(kāi)漏電源良好指示引腳，需要外部上拉電阻。
• SYNC/FSEL（18）：頻率選擇和外部時(shí)鐘同步引腳，可通過(guò)連接電阻到AGND設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，也可連接外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。
• MSEL（19）：用于選擇電流限制、軟啟動(dòng)速率和PWM斜坡幅度設(shè)置。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1 典型應(yīng)用示例

以12V輸入、1.0V輸出、1MHz的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)步驟：

• 開(kāi)關(guān)頻率選擇：選擇1000kHz的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)連接11.8kΩ的電阻到FSEL引腳來(lái)設(shè)置。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感和輸出電容的尺寸，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。
• 輸出電感選擇：模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的600nH電感。
• 輸出電容選擇：需要考慮輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)兩個(gè)因素。根據(jù)計(jì)算，最小輸出電容應(yīng)滿足多個(gè)條件，最終選擇四個(gè)100μF、10V、X5R、1210陶瓷電容器并聯(lián)，以滿足輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的要求。
• 輸入電容選擇：輸入電容應(yīng)選擇X5R、X7R等類型的陶瓷電容，總電容至少為66μF。在本例中，選擇了多個(gè)不同規(guī)格的陶瓷電容并聯(lián)，并放置在靠近IC的位置，以提供高頻旁路，減少輸入電壓紋波。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：通過(guò)外部電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)整UVLO的閾值，設(shè)置電源在輸入電壓高于4.5V時(shí)啟動(dòng)，低于3.95V時(shí)停止。
• 輸出電壓電阻選擇：使用1%公差或更好的電阻，通過(guò)電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。在本例中，選擇4.99kΩ的(R{FBB})和4.99kΩ的(R{FBT})。
• 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(dòng)時(shí)間選擇和斜坡選擇等，都需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行合理設(shè)置。

4.2 布局設(shè)計(jì)

布局設(shè)計(jì)對(duì)于電源模塊的性能至關(guān)重要，以下是一些關(guān)鍵的布局準(zhǔn)則：

• 減少阻抗：使VIN、PGND和SW走線盡可能寬，使用過(guò)孔和其他層的走線來(lái)降低VIN和PGND走線的阻抗。
• 降低噪聲：在PGND引腳附近使用多個(gè)過(guò)孔，并通過(guò)內(nèi)部層將它們連接在一起，以減少噪聲并幫助散熱。
• 元件放置：將電感盡可能靠近設(shè)備，將FB分壓器的底部電阻靠近FB和GOSNS引腳，同時(shí)保持上反饋電阻和前饋電容靠近IC。
• 接地連接：使用過(guò)孔將頂層的AGND島連接到內(nèi)部層的AGND島，并在一點(diǎn)將內(nèi)部AGND島連接到PGND。

五、總結(jié)

TPSM843A26E是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步降壓模塊，具有多種可配置的特性和完善的保護(hù)功能，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇開(kāi)關(guān)頻率、輸出電感、電容等元件，并注意布局設(shè)計(jì)，以確保模塊的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師在使用TPSM843A26E進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些參考和幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。