TPS82740A/B：低功耗應(yīng)用的高效降壓轉(zhuǎn)換器模塊

引言

在當(dāng)今電子設(shè)備追求低功耗、小型化的趨勢(shì)下，一款優(yōu)秀的降壓轉(zhuǎn)換器模塊對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效電源管理至關(guān)重要。TPS82740A 和 TPS82740B 作為德州儀器（TI）推出的產(chǎn)品，以其超低靜態(tài)電流、高轉(zhuǎn)換效率和豐富的功能特性，成為了眾多低功耗應(yīng)用的理想選擇。本文將詳細(xì)介紹這兩款降壓轉(zhuǎn)換器模塊的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品特性

1. 超低靜態(tài)電流

TPS82740 系列典型靜態(tài)電流僅為 360nA，這使得它在輕負(fù)載或待機(jī)狀態(tài)下能夠顯著降低功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。對(duì)于那些依賴電池供電且對(duì)功耗極為敏感的應(yīng)用來說，這一特性無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)。

2. 高轉(zhuǎn)換效率

在輸出電流低至 10μA 時(shí)，效率仍可高達(dá) 90%。這意味著在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，該模塊都能保持較高的轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗，提高電源利用率。

3. 輸出電壓可選

通過三個(gè)電壓選擇引腳（VSEL1、VSEL2、VSEL3），用戶可以以 100mV 的步長(zhǎng)靈活選擇輸出電壓。TPS82740A 的輸出電壓范圍為 1.8V 至 2.5V，TPS82740B 則為 2.6V 至 3.3V，滿足了不同應(yīng)用對(duì)輸出電壓的需求。

4. 集成負(fù)載開關(guān)

模塊集成了具有壓擺率控制的負(fù)載開關(guān)，最大輸出電流可達(dá) 200mA。這使得用戶可以方便地控制外部負(fù)載的通斷，同時(shí)避免了額外的負(fù)載開關(guān)元件，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

5. 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍 (V_{IN}) 為 2.2V 至 5.5V，支持多種電源供電，如可充電鋰離子電池、鋰原電池以及 USB 端口等。這增加了模塊的通用性和適用性。

6. RF 友好的 DCS - Control? 拓?fù)?/h3>

DCS - Control? 拓?fù)浣Y(jié)合了滯環(huán)控制和電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)，具有出色的交流負(fù)載調(diào)節(jié)和瞬態(tài)響應(yīng)能力，低輸出紋波電壓，并且能夠在 PFM（脈沖頻率調(diào)制）和 PWM（脈沖寬度調(diào)制）模式之間無(wú)縫切換。這使得該模塊在射頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色，減少了對(duì)射頻電路的干擾。

7. 低輸出電壓紋波和自動(dòng) 100% 模式

模塊具有低輸出電壓紋波特性，當(dāng)電池電壓接近輸出電壓時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入無(wú)紋波的 100% 模式，此時(shí)輸出直接連接到輸入電壓，進(jìn)一步降低了紋波。同時(shí)，VOUT 和 LOAD 引腳還具備放電功能，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

8. 小型化封裝

采用 2.3mm × 2.9mm 的 MicroSIP? 封裝，總解決方案尺寸小于 (6.7mm^{2})，高度低于 1.1mm，非常適合對(duì)空間要求苛刻的應(yīng)用。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 無(wú)線通信

適用于藍(lán)牙低功耗（Bluetooth? Low Energy）、RF4CE 和 Zigbee 等無(wú)線通信協(xié)議的設(shè)備。這些設(shè)備通常需要在低功耗狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，TPS82740 系列的超低靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率能夠滿足其對(duì)電源的嚴(yán)格要求。

2. 可穿戴電子設(shè)備

可穿戴設(shè)備對(duì)尺寸和功耗有著極高的要求。TPS82740 的小型化封裝和低功耗特性使其成為可穿戴電子設(shè)備如智能手表、健身追蹤器等的理想電源解決方案。

3. 能量收集系統(tǒng)

在能量收集應(yīng)用中，如太陽(yáng)能、熱能等能量收集系統(tǒng)，由于能量來源不穩(wěn)定且輸出功率較低，TPS82740 能夠在輕負(fù)載下保持高效運(yùn)行，有效收集和管理能量。

三、詳細(xì)描述

1. 功能框圖

TPS82740 的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括超低功耗參考、軟啟動(dòng)、欠壓鎖定（UVLO）、自動(dòng) 100% 模式、功率級(jí)、電流限制比較器等模塊。這些模塊協(xié)同工作，確保了模塊的穩(wěn)定運(yùn)行和高效性能。

2. 特性描述

DCS - Control? 拓?fù)?/h4>

DCS - Control? 拓?fù)渫ㄟ^一個(gè)交流環(huán)路直接感應(yīng)輸出電壓，并將信息反饋給快速比較器，從而設(shè)置開關(guān)頻率。在中高負(fù)載條件下，模塊工作在 PWM 模式，開關(guān)頻率最高可達(dá) 1.7MHz；在輕負(fù)載時(shí)，無(wú)縫進(jìn)入功率節(jié)省模式，開關(guān)頻率隨負(fù)載電流近乎線性變化，以保持高效率。

負(fù)載開關(guān)

LOAD 引腳由 CTRL 引腳控制，通過內(nèi)部負(fù)載開關(guān)連接到 VOUT 引腳。當(dāng) CTRL 為高電平時(shí)，負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通，允許連接其他系統(tǒng)組件到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出；當(dāng) CTRL 為低電平時(shí)，負(fù)載開關(guān)斷開，LOAD 引腳被拉至地。該負(fù)載開關(guān)具有軟開關(guān)特性，可減少開關(guān)噪聲。

輸出電壓選擇

通過 VSEL1、VSEL2、VSEL3 引腳，用戶可以根據(jù)需要選擇輸出電壓。輸出電壓可以在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)電壓縮放。

輸出放電功能

VOUT 和 LOAD 引腳都具備放電電路，當(dāng)模塊禁用時(shí)，可將引腳連接到地，防止殘留電荷影響系統(tǒng)的正常啟動(dòng)。

內(nèi)部電流限制

模塊在高端和低端 MOSFET 中集成了電流限制功能，通過逐周期監(jiān)測(cè)開關(guān)電流，保護(hù)模塊免受過載或短路的影響。

3. 設(shè)備功能模式

啟用 / 關(guān)閉

當(dāng) EN 引腳設(shè)置為高電平時(shí)，模塊激活；設(shè)置為低電平時(shí)，進(jìn)入關(guān)閉模式，電流消耗小于 70nA。

軟啟動(dòng)

設(shè)備啟用后，經(jīng)過啟動(dòng)延遲時(shí)間 (t_{Startupdelay}) 進(jìn)入軟啟動(dòng)階段。在軟啟動(dòng)期間，模塊以降低的電流限制 (I{LIMsoftstart}) 運(yùn)行，持續(xù)時(shí)間為 (t{Softstart})，之后電流限制增加到標(biāo)稱值。

電源良好輸出（PG）

電源良好比較器具有開漏輸出，可用于指示系統(tǒng)輸出電壓是否穩(wěn)定。當(dāng) (V{OUT}) 超過閾值 (V{THPG+}) 時(shí)，輸出被驅(qū)動(dòng)為高阻抗；當(dāng) (V{OUT}) 低于 PG 遲滯 (V_{PGhys}) 或輸入電壓 (V{IN}) 低于欠壓鎖定閾值 (V_{TH_UVLO}) 時(shí)，輸出被拉至低電平。

自動(dòng) 100% 模式

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，模塊停止開關(guān)，進(jìn)入 100% 占空比運(yùn)行模式，將輸出 VOUT 通過電感和內(nèi)部高端 MOSFET 開關(guān)連接到輸入 VIN，消除輸出電壓紋波。當(dāng)輸入電壓增加并超過 100% 模式退出閾值 (V_{TH_100+}) 時(shí)，模塊重新開始開關(guān)。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

該模塊設(shè)計(jì)用于輸入電壓范圍為 2.2V 至 5.5V、最大輸出電流為 200mA 的應(yīng)用。在中高負(fù)載條件下，模塊工作在 PWM 模式；在輕負(fù)載時(shí)，進(jìn)入功率節(jié)省模式，通過線性變化開關(guān)頻率保持高效率。

2. 典型應(yīng)用

在基于 SOC 的系統(tǒng)中，TPS82740 可用于為 LCD 顯示屏、ADC、控制子系統(tǒng)、射頻模塊、傳感器等提供電源。

3. 設(shè)計(jì)要求

TPS82740 是一個(gè)完整的降壓轉(zhuǎn)換器模塊，包含了所有必要的無(wú)源組件（電感、輸入和輸出電容）。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，無(wú)需額外的輸入 / 輸出電容。但在某些情況下，為了進(jìn)一步提高性能，可能需要選擇額外的外部組件。

4. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

輸入電容選擇

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，VIN 引腳的集成陶瓷輸入電容已經(jīng)足夠。但當(dāng)陶瓷電容與電源引線的電感結(jié)合時(shí)，輸出負(fù)載階躍可能會(huì)在 VIN 引腳引起振鈴。此時(shí)，應(yīng)在模塊輸入和電源引線之間添加額外的陶瓷“大容量”電容（如電解或鉭電容），以減少振鈴。此外，建議添加一個(gè)較大的緩沖電容 (C_{Buf})，以減少電壓降和紋波電壓，特別是在使用某些電池類型時(shí)。

輸出電容選擇

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，VOUT 引腳的集成輸出電容已經(jīng)足夠。為了進(jìn)一步降低輸出電壓紋波和改善負(fù)載瞬態(tài)性能，可以使用額外的外部輸出電容，但總有效電容不應(yīng)超過 10μF，以保證環(huán)路穩(wěn)定性。推薦使用低 ESR 值的陶瓷電容。

五、電源供應(yīng)建議

TPS82740 是一個(gè)完整且優(yōu)化的電源供應(yīng)模塊，在給定的規(guī)格范圍內(nèi)無(wú)需額外組件。用戶應(yīng)根據(jù)應(yīng)用信息部分的說明，正確連接輸入和輸出電路。

六、布局設(shè)計(jì)

1. 布局指南

在設(shè)計(jì) uSiP LGA 焊球的焊盤尺寸時(shí)，建議使用非阻焊定義（NSMD）焊盤。這種方法可以使阻焊開口大于所需的焊盤面積，開口尺寸由銅焊盤寬度定義。

2. 布局示例

文檔提供了 PCB 布局的建議，包括焊盤定義、銅厚度、阻焊開口、鋼網(wǎng)開口和鋼網(wǎng)厚度等參數(shù)。同時(shí)，還給出了推薦的焊盤圖案圖像和尺寸。

七、設(shè)備與文檔支持

1. 文檔支持

提供了相關(guān)鏈接，包括技術(shù)文檔、支持和社區(qū)資源、工具和軟件以及樣品購(gòu)買等方面的快速訪問。

2. 商標(biāo)信息

DCS - Control、MicroSIP、MicroSiP 是德州儀器的商標(biāo)，藍(lán)牙是 Bluetooth SIG, Inc. 的注冊(cè)商標(biāo)。

3. 靜電放電注意事項(xiàng)

這些設(shè)備內(nèi)置的 ESD 保護(hù)有限，在存儲(chǔ)或處理時(shí)，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。

4. 術(shù)語(yǔ)表

提供了相關(guān)術(shù)語(yǔ)的解釋，方便用戶理解文檔中的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。

八、總結(jié)

TPS82740A 和 TPS82740B 降壓轉(zhuǎn)換器模塊以其超低靜態(tài)電流、高轉(zhuǎn)換效率、豐富的功能特性和小型化封裝，為低功耗應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的電源解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇輸入和輸出電容，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該模塊的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，要注意靜電放電保護(hù)等問題，確保設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用 TPS82740 系列模塊時(shí)遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。