TPS65912x PMU：強(qiáng)大的電源管理解決方案

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理模塊起著至關(guān)重要的作用，它直接影響著設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和功耗。今天我們要介紹的是德州儀器（Texas Instruments）的TPS65912x系列電源管理單元（PMU），這是一款專為滿足多種應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的高性能產(chǎn)品。

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一、設(shè)備概述

TPS65912x采用3.6mm × 3.6mm、0.4mm間距的DSBGA封裝，擁有81個(gè)引腳。它適用于多種應(yīng)用場景，包括數(shù)據(jù)卡、智能手機(jī)、無線路由器和交換機(jī)、平板電腦、工業(yè)應(yīng)用、LTE調(diào)制解調(diào)器以及GPS等設(shè)備。這款PMU提供了四個(gè)可配置的降壓轉(zhuǎn)換器和十個(gè)外部低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），還具備兩個(gè)I2C接口通道或一個(gè)SPI接口通道、5個(gè)通用輸入輸出引腳（GPIOs）、32kHz RC振蕩器以及可編程電源序列器和控制器，能夠支持不同的處理器和應(yīng)用。

1.1 主要特性

• 降壓轉(zhuǎn)換器：四個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，具備輕負(fù)載時(shí)的節(jié)能模式，PWM模式下輸出電壓精度可達(dá)±2%，每個(gè)轉(zhuǎn)換器典型靜態(tài)電流為26μA，支持動(dòng)態(tài)電壓縮放，可實(shí)現(xiàn)100%占空比以實(shí)現(xiàn)最低壓降。
• LDO穩(wěn)壓器：包含8個(gè)通用LDO和2個(gè)低噪聲RF - LDO。通用LDO輸出電壓范圍為0.8V至3.3V，RF - LDO輸出電壓范圍為1.6V至3.3V，靜態(tài)電流為32μA，支持預(yù)調(diào)節(jié)電源輸入和ECO模式。
• LED輸出：三個(gè)LED輸出支持通過I2C進(jìn)行內(nèi)部調(diào)光，可與GPIOs復(fù)用，每個(gè)電流吸收器最大可達(dá)20mA。
• 其他特性：具備熱監(jiān)測功能，包括高溫警告和熱關(guān)斷；有旁路開關(guān)，可用于為RF - PA供電；支持I2C、Power I2C和SPI接口；集成32kHz RC振蕩器；具備欠壓鎖定和電池故障比較器；支持長按檢測；電源啟動(dòng)和關(guān)閉序列可靈活配置。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

該產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，涵蓋了消費(fèi)電子、工業(yè)控制、通信等多個(gè)領(lǐng)域。在智能手機(jī)和平板電腦中，它可以為處理器、內(nèi)存、I/O等提供穩(wěn)定的電源；在無線路由器和交換機(jī)中，能確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；在工業(yè)應(yīng)用和LTE調(diào)制解調(diào)器中，也能滿足其對電源管理的嚴(yán)格要求。

二、詳細(xì)功能剖析

2.1 線性穩(wěn)壓器（LDO）

• 低靜態(tài)電流模式（Eco - mode?）：每個(gè)LDO都配備了低靜態(tài)電流模式，可單獨(dú)啟用或禁用。當(dāng)ECO位為1時(shí)，LDOx的Eco - mode?控制方案啟用，有助于降低功耗。
• 輸出放電：每個(gè)LDO都有輸出放電位，當(dāng)該位設(shè)置為1時(shí)，LDO的輸出將通過一個(gè)等效300Ω的電阻放電到地。若LDO處于啟用狀態(tài)，則放電位將被忽略。
• 熱關(guān)斷：所有降壓轉(zhuǎn)換器和LDO都有全局熱關(guān)斷保護(hù)。熱傳感器會(huì)根據(jù)寄存器THRM_REG的設(shè)置生成早期警告，當(dāng)溫度超過熱關(guān)斷閾值時(shí)，整個(gè)設(shè)備將斷電至OFF狀態(tài)。
• LDO使能：LDO的啟用/禁用是靈活的電源啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)機(jī)的一部分。每個(gè)LDO可以被編程為在電源開啟條件發(fā)生后的15個(gè)時(shí)間槽之一自動(dòng)上電，也可以由專用引腳控制。
• LDO電壓范圍：標(biāo)準(zhǔn)LDO的輸出電壓范圍為0.8V至3.3V，RF - LDO（LDO4和LDO5）的輸出電壓范圍為1.6V至3.3V。
• LDO電源良好比較器：每個(gè)LDO的輸出電壓由內(nèi)部電源良好比較器監(jiān)控，其輸出會(huì)設(shè)置和清除寄存器PGOOD和PGOOD2中的PGOOD位。若LDO啟用但輸入電壓低于1V，則電源良好位無效。

2.2 降壓轉(zhuǎn)換器

• PWM/PFM模式：在強(qiáng)制PWM模式下，設(shè)備避免脈沖跳過，便于外部濾波組件過濾開關(guān)噪聲。若未設(shè)置DCDCx_MODE = 1位，當(dāng)負(fù)載較輕且DCDCx輸入和輸出軌之間有足夠裕量時(shí)，DCDC輸出將切換到低電流PFM模式。
• 低靜態(tài)電流模式：每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器可單獨(dú)控制進(jìn)入低靜態(tài)電流模式。當(dāng)ECO位為1時(shí)進(jìn)入該模式，此時(shí)靜態(tài)電流降低，輸出電壓由比較器監(jiān)控，大部分控制功能禁用以節(jié)省功耗。但在負(fù)載瞬變前應(yīng)禁用ECO模式，以確保轉(zhuǎn)換器能及時(shí)響應(yīng)過量電流需求。
• 輸出電壓監(jiān)控：內(nèi)部電源良好比較器監(jiān)控開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出，當(dāng)輸出電壓低于編程值的90%時(shí)進(jìn)行檢測。該信息由電源管理核心根據(jù)特定I2C寄存器設(shè)置生成中斷。
• 輸出放電：每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器都有輸出放電使能位，設(shè)置為1時(shí)，穩(wěn)壓器的輸出將通過一個(gè)等效400Ω的電阻放電到地。若穩(wěn)壓器的使能位已設(shè)置，則放電位將被忽略。
• 熱關(guān)斷：與LDO一樣，降壓轉(zhuǎn)換器也有全局熱關(guān)斷保護(hù)。
• 降壓轉(zhuǎn)換器使能：降壓轉(zhuǎn)換器的啟用/禁用是靈活的電源啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)機(jī)的一部分，可通過編程使其在電源開啟條件發(fā)生后的15個(gè)時(shí)間槽之一自動(dòng)上電，或由專用引腳控制。
• 降壓轉(zhuǎn)換器軟啟動(dòng)：TPS65912x中的降壓轉(zhuǎn)換器有內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，控制輸出電壓從5%上升到95%的額定值，可限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，防止使用電池或高阻抗電源時(shí)出現(xiàn)輸入電壓下降。

2.3 GPIOs

TPS65912x有5個(gè)GPIOs。GPIO1和GPIO2與SPI接口共享，若使用SPI則不可用。GPIO3、GPIO4和GPIO5用于通用用途，可與LED驅(qū)動(dòng)器共享。GPIO1和GPIO2的輸入和輸出級(jí)與GPIO3類似，但不包含LED電流吸收器。若輸出級(jí)編程為推挽式，則其高電平由VDDIO設(shè)置的電壓決定。當(dāng)VDDIO低于欠壓鎖定閾值時(shí)，推挽輸出級(jí)的高端驅(qū)動(dòng)器禁用，輸出默認(rèn)為開漏。

2.4 電源狀態(tài)機(jī)

嵌入式電源控制器（EPC）管理設(shè)備的狀態(tài)并控制電源啟動(dòng)序列，支持以下狀態(tài)：

• NO SUPPLY：主電池電源電壓不足以給LDOAO（始終開啟的LDO）穩(wěn)壓器供電，此時(shí)設(shè)備全局復(fù)位，所有功能關(guān)閉。
• CONFIG：可從NO SUPPLY狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入，或在TPS65912x通過DEVCTRL寄存器的Bit LOAD - OTP配置后從ACTIVE或SLEEP狀態(tài)進(jìn)入。進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)，所有寄存器設(shè)置為默認(rèn)值，nRESPWRON信號(hào)置位。
• OFF：LDOAO開啟，內(nèi)部邏輯活躍，所有電源處于關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)備可檢測并執(zhí)行電源啟動(dòng)序列，nRESPWRON信號(hào)置位。
• ACTIVE：設(shè)備電源開啟條件滿足，穩(wěn)壓電源開啟或可通過全電流能力啟用，復(fù)位釋放，接口活躍。
• SLEEP：設(shè)備睡眠啟用條件滿足，選定的穩(wěn)壓電源處于低功耗/關(guān)閉模式。

2.5 接口

• SPI接口：使用4個(gè)信號(hào)，包括片選SPI_CE、總線主時(shí)鐘SPI_CLK、輸入端口SPI_MOSI和輸出端口SPI_MISO。讀/寫位后跟隨8位寄存器地址，然后是7位未使用位和數(shù)據(jù)位。當(dāng)TPS65912x未被選中（CE = LOW）時(shí)，MISO輸出設(shè)置為高阻抗，允許多個(gè)從設(shè)備在SPI總線上。
• I2C接口：是由NXP開發(fā)的2線串行接口，由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL組成。TPS65912x作為從設(shè)備，支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（寫操作最高3.4Mbps）。有兩個(gè)I2C接口，一個(gè)用于通用用途，另一個(gè)專門用于降壓轉(zhuǎn)換器的電壓縮放。

三、應(yīng)用與設(shè)計(jì)考慮

3.1 典型應(yīng)用

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 輸出濾波器設(shè)計(jì)
  • 電感選擇：降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為使用小的外部組件，如1μH輸出電感。所選電感的直流電阻和飽和電流必須滿足要求，直流電阻會(huì)直接影響轉(zhuǎn)換器的效率，因此應(yīng)選擇直流電阻最低的電感以獲得最高效率。
  • 輸出電容選擇：DC - DC轉(zhuǎn)換器的控制方案允許使用小的陶瓷電容，其低ESR值可降低輸出電壓紋波。在計(jì)算RMS紋波電流和輸出電壓紋波時(shí)，可參考相關(guān)公式。
  • 輸入電容選擇：由于降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流是脈動(dòng)的，需要低ESR的輸入電容進(jìn)行輸入電壓濾波，減少高輸入電壓尖峰對其他電路的干擾。輸入電容可選用10μF的陶瓷電容，且可根據(jù)需要增加電容值以獲得更好的濾波效果。
• 布局設(shè)計(jì)：對于所有開關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要步驟。為了獲得指定的性能，必須仔細(xì)進(jìn)行PCB布局。要提供低阻抗的接地路徑，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。同時(shí)，要注意避免接地噪聲，VDCDCx走線應(yīng)直接連接到輸出電容，并遠(yuǎn)離噪聲組件和走線。

四、總結(jié)

TPS65912x PMU憑借其豐富的功能、靈活的配置和高性能的表現(xiàn)，為各種電子設(shè)備的電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。無論是在消費(fèi)電子領(lǐng)域還是工業(yè)應(yīng)用中，它都能滿足不同的電源需求，幫助工程師設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、高效的產(chǎn)品。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇外部組件，精心進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮TPS65912x的優(yōu)勢。希望通過本文的介紹，能讓大家對TPS65912x有更深入的了解，在設(shè)計(jì)中更好地運(yùn)用這款產(chǎn)品。

你在使用TPS65912x的過程中遇到過哪些問題？或者對電源管理設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流！