深入解析 TPS62730：超低功耗無線應(yīng)用的理想 DC - DC 轉(zhuǎn)換器

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，尤其是超低功耗無線應(yīng)用領(lǐng)域，電源管理芯片的性能至關(guān)重要。TPS62730 作為一款專為超低功耗無線應(yīng)用優(yōu)化的高頻同步降壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，具有許多獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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1. 芯片概述

TPS62730 主要用于為德州儀器（TI）的低功耗無線 sub 1 - GHz 和 2.4GHz RF 收發(fā)器以及片上系統(tǒng)（SoC）解決方案供電。它通過高效的降壓電壓轉(zhuǎn)換，降低了設(shè)備在發(fā)射（TX）和接收（RX）模式下從電池吸取的電流，最大輸出電流可達(dá) 100 mA，并且允許使用小型且低成本的片式電感和電容。其輸入電壓范圍為 1.9 V 至 3.9 V，支持多種電池化學(xué)類型，如 Li - SOCl?、LiSO?、Li - MnO? 以及兩節(jié)堿性電池。

2. 關(guān)鍵特性

2.1 自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換

該芯片具備從 DC - DC 模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換到旁路模式的功能。當(dāng)輸入電壓接近 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓時(shí)，DC - DC 轉(zhuǎn)換器接近 100% 占空比運(yùn)行，此時(shí)內(nèi)部旁路開關(guān)會(huì)自動(dòng)開啟，將輸出直接連接到輸入，從而使輸出紋波電壓降為零，同時(shí)將 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的電流消耗降低至典型的 23 μA。當(dāng)輸入電壓升高并超過旁路停用閾值時(shí)，DC - DC 調(diào)節(jié)器重新開啟，旁路開關(guān)關(guān)閉。

2.2 高頻開關(guān)

最高可達(dá) 3 - MHz 的開關(guān)頻率，即使使用小的 2.2 - uF 輸出電容，也能實(shí)現(xiàn)低輸出紋波電壓和低噪聲。

2.3 高效轉(zhuǎn)換

DC - DC 效率最高可達(dá) 95%，能有效降低功耗，延長電池續(xù)航時(shí)間。

2.4 超低功耗旁路模式

典型電流消耗僅為 30 - nA，支持 TI 的 CC2540 藍(lán)牙低功耗和 CC430 SoC 解決方案的睡眠和低功耗模式。在該模式下，DC - DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電容通過一個(gè)典型 2.1 - Ω 的旁路開關(guān)連接到電池。

2.5 固定輸出電壓選項(xiàng)

提供 1.9 V、2.05 V、2.1 V、2.3 V 等固定輸出電壓，滿足不同應(yīng)用的需求。

2.6 小尺寸封裝

采用 (1 × 1.5 × 0.6 - mm3) 的 USON 封裝，最小解決方案尺寸僅為 (12 - mm2)，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

3. 引腳配置與功能

4. 規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對(duì)最大額定值

• 電壓：VIN、SW、VOUT 為 - 0.3 至 4.2 V；ON/BYP、STAT 為 - 0.3 至 (V_{IN} + 0.3)（≤ 4.2 V）。
• 工作結(jié)溫： - 40 至 125°C。
• 存儲(chǔ)溫度： - 65 至 150°C。

4.2 ESD 評(píng)級(jí)

• 人體模型（HBM）：±2000 V。
• 帶電器件模型（CDM）：±1000 V。
• 機(jī)器模型（MM）：±150 V。

4.3 推薦工作條件

• 環(huán)境溫度： - 40 至 85°C。
• 電源電壓 (V_{IN})：1.9 至 3.9 V。
• 有效電感：1.5 至 3 μH。
• 連接到 VOUT 的有效輸出電容：1.0 至 10 μF。
• 工作結(jié)溫范圍： - 40 至 125°C。

5. 詳細(xì)工作原理

5.1 DCS - Control? 控制拓?fù)?/h3>

TPS62730 采用了 TI 的 DCS - Control 先進(jìn)調(diào)節(jié)拓?fù)?，結(jié)合了滯回和電壓模式控制架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。比較器階段提供了出色的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，而額外的電壓反饋環(huán)路確保了高直流精度。該控制方式允許高達(dá) 3 MHz 的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了出色的瞬態(tài)和交流負(fù)載調(diào)節(jié)，并且可以使用小型且具有成本競(jìng)爭力的外部組件。

5.2 模式選擇

• DC - DC 模式：當(dāng) ON/BYP 引腳置為高電平時(shí)，DC - DC 轉(zhuǎn)換器激活。
• 超低功耗旁路模式：將 ON/BYP 引腳拉低，可激活該模式，典型電流消耗僅為 30 - nA。此時(shí)內(nèi)部旁路開關(guān)開啟，DC - DC 轉(zhuǎn)換器的輸出連接到電池 VIN，其他內(nèi)部電路關(guān)閉，內(nèi)部電阻反饋分壓網(wǎng)絡(luò)斷開。

5.3 STAT 開漏輸出

當(dāng)設(shè)備啟用（EN/BYP = high）時(shí)，STAT 輸出有效，用于指示輸出電壓的狀態(tài)。它是一個(gè)低電平有效的開漏輸出，需要一個(gè)外部上拉電阻來指示高電平。內(nèi)部比較器監(jiān)測(cè)輸出電壓 (V{OUT})，當(dāng)輸出電壓 (V{OUT}) 超過閾值 (V{TSTAT})（下降 (V{IN}) 時(shí)為 (V{OUT}) 的 95%，上升 (V{IN}) 時(shí)為 (V{OUT}) 的 98%），STAT 引腳拉低；當(dāng) ON/BYP 引腳置為低電平或 (V{OUT}) 低于 (V_{TSTAT}) 閾值時(shí)，該引腳為高阻抗。

6. 應(yīng)用與設(shè)計(jì)

6.1 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)要求

TPS6273x 是一款高度集成的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，輸出電壓內(nèi)部固定，無需外部反饋分壓網(wǎng)絡(luò)。正常工作僅需一個(gè)輸入電容、一個(gè)輸出電容和一個(gè)電感。

6.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

6.2.1 輸出濾波器設(shè)計(jì)

TPS62730 優(yōu)化了有效電感值在 1.5 μH 至 3 μH 范圍內(nèi)，有效輸出電容在 1.0 μF 至 10 μF 范圍內(nèi)的操作。內(nèi)部補(bǔ)償針對(duì) (L = 2.2 mu H) 和 (C{OUT} = 2.2 mu F) 的輸出濾波器進(jìn)行了優(yōu)化，其 LC 輸出濾波器拐角頻率為： [f{C}=frac{1}{2 × pi × sqrt{(2.2 mu H × 2.2 mu F)}}=72 kHz]

6.2.2 電感選擇

電感值會(huì)影響其峰 - 峰紋波電流、PWM - 到 - PFM 轉(zhuǎn)換點(diǎn)、輸出電壓紋波和效率。所選電感的直流電阻和飽和電流必須符合要求。電感紋波電流 (Delta I{L}) 隨電感值的增加而減小，隨 (V{IN}) 或 (V_{OUT}) 的增加而增加。在高頻轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，電感的交流電阻（即品質(zhì)因數(shù)）對(duì)效率影響較大，應(yīng)選擇在開關(guān)頻率下品質(zhì)因數(shù)高于 25 的電感。

6.2.3 DC - DC 輸出電容選擇

TPS62730 的 DCS - Control 方案允許使用小型陶瓷電容。推薦使用低 ESR 值的陶瓷電容，輸出電容需采用 X7R 或 X5R 電介質(zhì)。

6.2.4 額外的去耦電容

除了輸出電容外，還需在 TPS62730 的輸出端連接額外的去耦電容，這些電容應(yīng)靠近 RF 發(fā)射器或微控制器放置。在模式轉(zhuǎn)換過程中，需考慮輸出和去耦電容的充放電能量損失。

6.2.5 輸入電容選擇

由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流具有脈動(dòng)特性，需要一個(gè)低 ESR 的輸入電容來實(shí)現(xiàn)最佳的輸入電壓濾波，以確保設(shè)備正常工作并最小化輸入電壓尖峰。大多數(shù)應(yīng)用推薦使用 2.2 μF 至 4.7 μF 的陶瓷電容。

6.2.6 檢查環(huán)路穩(wěn)定性

評(píng)估電路和穩(wěn)定性時(shí)，首先要從穩(wěn)態(tài)角度觀察開關(guān)節(jié)點(diǎn)、電感電流和輸出紋波電壓等信號(hào)。當(dāng)開關(guān)波形出現(xiàn)大的占空比抖動(dòng)或輸出電壓、電感電流出現(xiàn)振蕩時(shí)，調(diào)節(jié)環(huán)路可能不穩(wěn)定，這通常是由電路板布局和/或 L - C 組合引起的。此外，還需測(cè)試負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，通過監(jiān)測(cè)輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)間、過沖或振鈴來判斷轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。

7. 布局注意事項(xiàng)

對(duì)于開關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，尤其是在 RF 設(shè)計(jì)中，需要特別注意 PCB 布局。為了獲得指定的性能，必須精心設(shè)計(jì)電路板布局。要提供低電感、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 引腳，電感和輸出電容也應(yīng)如此。使用公共電源接地節(jié)點(diǎn)和不同的信號(hào)接地節(jié)點(diǎn)，以最小化接地噪聲的影響。保持連接到 GND 引腳的公共路徑盡可能短，避免接地噪聲。VOUT 線應(yīng)連接到輸出電容，并遠(yuǎn)離嘈雜的組件和走線。

總結(jié)

TPS62730 憑借其高效的電壓轉(zhuǎn)換、超低功耗旁路模式、小尺寸封裝以及豐富的功能特性，成為超低功耗無線應(yīng)用中電源管理的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)其規(guī)格參數(shù)和工作原理，合理選擇外部組件，并注意電路板布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中是否也遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。