TPS84250：7 - 50V輸入、2.5A降壓集成電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和特性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討一下德州儀器（TI）的TPS84250，這是一款7 - 50V輸入、2.5A降壓的集成電源解決方案，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、產(chǎn)品概述

TPS84250是一款易于使用的集成電源解決方案，它將2.5A DC/DC轉(zhuǎn)換器與電感和無(wú)源元件集成到一個(gè)低剖面的QFN封裝中。這種集成化設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)，僅需最少5個(gè)外部組件，就可以完成設(shè)計(jì)，同時(shí)還省去了環(huán)路補(bǔ)償和磁性元件選擇的過(guò)程。其9mm × 11mm × 2.8mm的小型QFN封裝，便于焊接到印刷電路板上，能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的負(fù)載點(diǎn)設(shè)計(jì)，效率超過(guò)90%，并且具有出色的散熱能力。

二、產(chǎn)品特性

2.1 寬輸入電壓范圍與輸出可調(diào)

它的輸入電壓范圍為7V至50V，輸出電壓可在2.5V至15V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，還具備65V的浪涌能力，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境。

2.2 高效節(jié)能

效率高達(dá)96%，這在電源管理芯片中是非常出色的表現(xiàn)，能夠有效降低功耗，提高能源利用率。

2.3 靈活的頻率調(diào)節(jié)

開(kāi)關(guān)頻率可在300kHz至1MHz之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，還能同步到外部時(shí)鐘，并且支持可調(diào)慢啟動(dòng)、輸出電壓排序和跟蹤等功能。

2.4 完善的保護(hù)機(jī)制

具備輸出過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能，能夠有效保護(hù)芯片和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 其他特性

還擁有Power - Good輸出、可編程欠壓鎖定（UVLO）等特性，并且滿足EN55022 Class B排放要求，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，熱性能為14°C/W。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

TPS84250適用于多種領(lǐng)域，包括工業(yè)和電機(jī)控制、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、醫(yī)療和成像設(shè)備以及高密度電源系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)楦鞣NIC和系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

四、規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

輸入電壓范圍為7V至50V，輸出電壓范圍為2.5V至15V，開(kāi)關(guān)頻率范圍為400kHz至1000kHz，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至85°C。需要注意的是，超過(guò)絕對(duì)最大額定值的應(yīng)力可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

4.2 推薦工作條件

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇輸入電壓、輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)，以確保設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

4.3 封裝規(guī)格

TPS84250的重量為0.9克，阻燃性符合UL 94 V - 0標(biāo)準(zhǔn)，MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）根據(jù)Bellcore TR - 332標(biāo)準(zhǔn)，在50%應(yīng)力、TA = 40°C、地面良性環(huán)境下為31.7 MHrs。

4.4 電氣特性

輸出電流最大可達(dá)2.5A，輸入電壓范圍在7.0V至50V之間，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為2.5V至15V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)公差在TA = 25°C、IOUT = 100mA時(shí)為±2.0%，在 - 40°C至 + 85°C溫度范圍內(nèi)的溫度變化為±0.5%至±1.0%，線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)性能也非常出色。

五、引腳說(shuō)明

TPS84250共有41個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，AGND引腳是模擬接地引腳，需要連接到PCB的接地平面以保證良好的熱性能；VIN引腳是輸入電壓引腳，為轉(zhuǎn)換器提供所有電源；VOUT引腳是輸出電壓引腳，連接到輸出負(fù)載和外部旁路電容；INH/UVLO引腳用于抑制和欠壓鎖定調(diào)節(jié)等。在設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)，需要嚴(yán)格按照引腳的功能和要求進(jìn)行連接，以確保芯片的正常工作。

六、典型特性

6.1 效率與輸出電流關(guān)系

在不同的輸入電壓和輸出電壓條件下，TPS84250的效率與輸出電流呈現(xiàn)出一定的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，隨著輸出電流的增加，效率會(huì)先上升后下降。例如，在VIN = 24V、VOUT = 15V、fSW = 1MHz的條件下，效率最高可達(dá)90%以上。

6.2 電壓紋波與輸出電流關(guān)系

輸出電壓紋波會(huì)隨著輸出電流的變化而變化。在輕負(fù)載時(shí)，由于脈沖跳過(guò)，輸出電壓紋波可能會(huì)增加。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，合理選擇電容等元件，以降低電壓紋波。

6.3 功率耗散與輸出電流關(guān)系

功率耗散隨著輸出電流的增加而增加。在高負(fù)載情況下，需要注意芯片的散熱問(wèn)題，以確保芯片的溫度在安全范圍內(nèi)。

七、電容推薦

7.1 電容技術(shù)

在選擇電容時(shí)，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和工作溫度選擇合適的電容類型。例如，在環(huán)境工作溫度低于0°C的應(yīng)用中，推薦使用聚合物 - 電解電容或聚合物 - 鉭電容；在環(huán)境溫度高于0°C的情況下，鋁電解電容可以提供足夠的去耦效果。陶瓷電容具有低ESR和高諧振頻率的特點(diǎn)，可用于減少輸入反射紋波電流和改善輸出瞬態(tài)響應(yīng)。

7.2 輸入電容

TPS84250需要至少4.4μF的陶瓷輸入電容，電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓，紋波電流額定值至少為450mArms。

7.3 輸出電容

輸出電容可以由全陶瓷電容或陶瓷電容與大容量電容的組合構(gòu)成，所需的輸出電容至少包括100μF的陶瓷電容（或2 x 47μF）。在添加額外的非陶瓷大容量電容時(shí)，需要選擇低ESR的器件。

八、應(yīng)用信息

8.1 操作參數(shù)選擇

在使用TPS84250進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇三個(gè)主要參數(shù)：輸出電壓、UVLO閾值和開(kāi)關(guān)頻率。這些參數(shù)可以通過(guò)一兩個(gè)電阻進(jìn)行調(diào)整。

8.2 輸出電壓調(diào)整

輸出電壓由連接在VOUT節(jié)點(diǎn)和VADJ引腳之間的RSET電阻決定。對(duì)于輸出電壓大于5.0V的情況，可以通過(guò)增加RT/CLK引腳和AGND引腳之間的RRT電阻來(lái)提高工作頻率，以獲得更好的性能。

8.3 輸入電壓

TPS84250的輸入電壓范圍為7V至50V。在輕負(fù)載下，可靠啟動(dòng)和運(yùn)行的最小輸入電壓取決于輸出電壓。對(duì)于輸出電壓≤12V的情況，最小輸入電壓為7V或（VOUT + 3V）中的較大值；對(duì)于輸出電壓>12V的情況，最小輸入電壓為（1.33 x VOUT）。最大輸入電壓為（15 x VOUT）或50V中的較小值。

8.4 欠壓鎖定（UVLO）閾值

通過(guò)兩個(gè)電阻RUVLO1和RUVLO2可以設(shè)置UVLO的開(kāi)啟和關(guān)閉閾值。為了確保正確啟動(dòng)并減少輸入電源上的電流浪涌，VON UVLO閾值應(yīng)設(shè)置為至少（VOUT + 3V）或7V中的較大值。

8.5 功率良好（PWRGD）

PWRGD引腳是一個(gè)開(kāi)漏輸出引腳。當(dāng)輸出電壓在設(shè)定電壓的94%至106%之間時(shí)，PWRGD引腳釋放下拉并浮空；當(dāng)輸出電壓低于91%或高于109%的標(biāo)稱設(shè)定電壓時(shí)，PWRGD引腳被拉低。

8.6 開(kāi)關(guān)頻率

TPS84250的標(biāo)稱開(kāi)關(guān)頻率出廠設(shè)定為400kHz，對(duì)于輸出電壓為5.0V及以上的情況，可以通過(guò)在RT/CLK引腳和AGND引腳之間添加RRT電阻來(lái)提高工作頻率，以減少輸出電壓紋波、降低脈沖跳過(guò)開(kāi)始的負(fù)載電流閾值并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

8.7 應(yīng)用原理圖

文檔中給出了不同輸入電壓和輸出電壓條件下的典型應(yīng)用原理圖，為工程師提供了參考。例如，在VIN = 7V至36V、VOUT = 3.3V的情況下，以及VIN = 15V至50V、VOUT = 12V的情況下，都有相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)。

8.8 上電特性

當(dāng)按照原理圖配置時(shí)，TPS84250在施加有效輸入電壓后會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電壓。上電時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)電路會(huì)減慢輸出電壓上升的速率，從而限制從輸入源吸取的浪涌電流。

8.9 輸出開(kāi)/關(guān)抑制（INH）

INH引腳提供設(shè)備的電氣開(kāi)/關(guān)控制。當(dāng)INH引腳電壓超過(guò)閾值電壓時(shí)，設(shè)備開(kāi)始工作；當(dāng)INH引腳電壓低于閾值電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器停止開(kāi)關(guān)并進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。

8.10 慢啟動(dòng)（SS/TR）

對(duì)于輸出電壓為5V或更低的情況，TPS84250內(nèi)置的慢啟動(dòng)電容足以提供不會(huì)在給輸出電容充電時(shí)引起大的浪涌電流的開(kāi)啟斜坡速率。對(duì)于輸出電壓大于5V的情況，建議添加額外的慢啟動(dòng)電容。

8.11 過(guò)流保護(hù)

TPS84250采用逐周期電流限制來(lái)保護(hù)負(fù)載故障。在過(guò)流情況下，輸出電流被限制，輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓下降超過(guò)設(shè)定點(diǎn)的8%時(shí)，PWRGD信號(hào)被拉低；當(dāng)輸出電壓下降超過(guò)25%時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率降低以減少設(shè)備內(nèi)部的功耗。

8.12 輕負(fù)載行為

TPS84250是非同步轉(zhuǎn)換器，在輕負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)脈沖跳過(guò)現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出電壓紋波增加和紋波頻率降低。脈沖跳過(guò)開(kāi)始的負(fù)載電流與輸入電壓、輸出電壓和開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。

8.13 同步（CLK）

內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）允許在400kHz至1MHz之間進(jìn)行同步，并可以輕松從RT模式切換到CLK模式。在使用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，需要將方波時(shí)鐘信號(hào)連接到RT/CLK引腳，時(shí)鐘信號(hào)的占空比應(yīng)在20%至80%之間，幅度應(yīng)在0.8V至2.0V之間。

8.14 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過(guò)180°C時(shí)，內(nèi)部熱關(guān)斷電路會(huì)強(qiáng)制設(shè)備停止開(kāi)關(guān)；當(dāng)結(jié)溫下降到165°C以下時(shí)，設(shè)備重新啟動(dòng)上電序列。

8.15 布局考慮

為了實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要進(jìn)行優(yōu)化的PCB布局。例如，使用大面積的銅區(qū)域作為電源平面，將陶瓷輸入和輸出電容靠近模塊引腳放置，隔離PH銅區(qū)域和VOUT銅區(qū)域等。

8.16 EMI

TPS84250符合EN55022 Class B輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，在不同輸入電壓和輸出電壓條件下的輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明其具有良好的電磁兼容性。

九、總結(jié)

TPS84250是一款功能強(qiáng)大、性能出色的集成電源解決方案，具有寬輸入電壓范圍、高效節(jié)能、靈活的頻率調(diào)節(jié)和完善的保護(hù)機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景，合理選擇參數(shù)和元件，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用TPS84250的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么問(wèn)題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。