深度解析TPSM81299：低功耗升壓模塊的卓越之選

在電子設(shè)備不斷向小型化、低功耗發(fā)展的今天，電源管理模塊的性能顯得尤為關(guān)鍵。TPSM81299作為一款同步升壓模塊，憑借其超低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍和出色的瞬態(tài)響應(yīng)能力，在便攜式設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。本文將深入剖析TPSM81299的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師們提供全面的參考。

文件下載：tpsm81299.pdf

一、TPSM81299特性概覽

1.1 電壓范圍與電流限制

TPSM81299的輸入電壓范圍為0.5V至5.5V，最低啟動(dòng)電壓為0.7V，在信號(hào) (AVIN >0.7 ~V) 時(shí)，輸入工作電壓（PVIN）可低至150mV。輸出電壓范圍方面，對于輸入電流限制不超過1.2A的器件，輸出電壓范圍為1.8V至5.5V。此外，該系列產(chǎn)品具有多種平均輸入電流限制版本，包括5mA、25mA、50mA、100mA、250mA、500mA、1.2A和1.5A，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

1.2 低功耗特性

該模塊的典型靜態(tài)電流僅為95nA，關(guān)機(jī)電流典型值為60nA，這使得它在電池供電的便攜式設(shè)備中能夠顯著延長電池續(xù)航時(shí)間。在輕載條件下，如 (PVIN =AVIN=3.6 ~V)、(VOUT =10 mu A) 時(shí)，效率可達(dá)88%；在 (PVIN =AVIN=3.6 ~V)、(VOUT = 5V)、(I_{OUT }=200 ~mA) 時(shí)，效率高達(dá)94%。

1.3 快速瞬態(tài)響應(yīng)

TPSM81299具備出色的快速瞬態(tài)性能，在 (PVIN =AVIN=3.6 ~V)、(VOUT = 5V)、(IOUT =0 ~A->200mA) 的條件下，設(shè)置時(shí)間約為8μs，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

1.4 其他特性

該模塊還具有真關(guān)斷功能（EN低電平時(shí)）、自動(dòng)PFM/PWM模式轉(zhuǎn)換、自動(dòng)直通功能（(AVIN > VOUT) 時(shí)）、輸出SCP和熱關(guān)斷保護(hù)等特性，并且采用了小巧的QFN封裝（3mm x 2.7mm x 1.27mm），節(jié)省了電路板空間。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPSM81299適用于多種便攜式設(shè)備，如智能手表、智能手環(huán)、便攜式醫(yī)療設(shè)備、TWS耳機(jī)和光模塊等。這些設(shè)備通常對功耗和體積有嚴(yán)格要求，而TPSM81299的低功耗和小封裝特性正好滿足了這些需求。

三、詳細(xì)技術(shù)分析

3.1 工作模式與控制策略

TPSM81299采用滯環(huán)電流模式控制器進(jìn)行升壓控制。該控制器通過保持電感紋波電流在350mA范圍內(nèi)恒定，并根據(jù)輸出負(fù)載調(diào)整電感的谷值電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。由于輸入電壓、輸出電壓和電感值都會(huì)影響電感紋波電流的上升和下降斜率，因此開關(guān)頻率不是固定的，而是由工作條件決定。

在輕載條件下，當(dāng)所需的平均輸入電流低于由恒定紋波定義的平均電感電流時(shí)，電感電流會(huì)不連續(xù)，以保持高效率。如果負(fù)載電流進(jìn)一步降低，模塊將進(jìn)入突發(fā)模式（Burst mode）。在突發(fā)模式下，模塊通過幾個(gè)開關(guān)周期將輸出電壓升高，當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定閾值（正常模式下為 (Vout_target + 50mV)，快速負(fù)載瞬態(tài)模式下為 (Vout_target + 25mV)）時(shí)，設(shè)備停止開關(guān)并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，此時(shí)僅消耗95nA的靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定閾值（正常模式下為 (Vout_target + 25mV)，快速負(fù)載瞬態(tài)模式下為 (Vout_target + 10mV)）時(shí)，模塊恢復(fù)開關(guān)。當(dāng)輸出電流不再能在該模式下得到支持時(shí)，設(shè)備退出突發(fā)模式。

3.2 版本檢測與輸出電壓設(shè)置

TPSM81299通過在VSEL引腳和地之間連接一個(gè)電阻，支持21種內(nèi)部輸出電壓設(shè)置選項(xiàng)。在啟動(dòng)過程中，當(dāng)輸出電壓接近1.8V時(shí)，設(shè)備開始檢測VSEL引腳的配置條件。它會(huì)從低電阻設(shè)置選項(xiàng)開始，逐步檢查到高設(shè)置選項(xiàng)，直到通過一個(gè)10μs的時(shí)鐘找到用戶設(shè)置的配置。檢測到配置后，模塊會(huì)鎖定設(shè)置的輸出調(diào)節(jié)電壓。需要注意的是，在運(yùn)行過程中，模塊不會(huì)檢測VSEL引腳，因此在運(yùn)行時(shí)更改電阻不會(huì)改變VSEL設(shè)置，而在運(yùn)行時(shí)切換EN引腳是刷新設(shè)置的一種方法。為了確保正常運(yùn)行，TI建議將VSEL電阻的精度設(shè)置為1%，寄生電容小于10pF。

3.3 欠壓鎖定與開關(guān)頻率

模塊內(nèi)置了欠壓鎖定（UVLO）電路，當(dāng)輸入電壓高于0.7V的UVLO上升閾值時(shí)，TPSM81299能夠升壓輸出電壓。啟動(dòng)后，當(dāng)輸出電壓高于1.8V時(shí)，模塊可以在低至0.5V的輸入電壓下工作。

TPSM81299的開關(guān)頻率不是固定的，它通過保持電感紋波電流在350mA范圍內(nèi)恒定來工作，因此頻率由工作條件決定。在輸入為3.6V、輸出為5V、電感為1μH的情況下，頻率約為3MHz。在連續(xù)電流模式下，估計(jì)的開關(guān)頻率f可以通過以下公式計(jì)算： [f=frac{V{IN} timesleft(V{OUT }-V{IN } × etaright)}{L × I{LH} × V{OUT }}] 其中，L為電感值（模塊中典型值為1uH），(V{IN }) 為電源輸入電壓，(V{OUT }) 為輸出電壓，(I{LH}) 為電感電流紋波（典型值為350mA），η為轉(zhuǎn)換效率。

3.4 平均輸入電流限制與保護(hù)功能

TPSM81299具備輸入平均電流保護(hù)（OCP）功能。當(dāng)電感平均電流達(dá)到電流限制閾值ILIM時(shí)，控制環(huán)路會(huì)限制電感平均電流，此時(shí)輸出電壓會(huì)下降，直到輸入和輸出之間達(dá)到功率平衡。如果輸出電壓降至低于輸入電壓，模塊將進(jìn)入降壓模式（Down Mode）；如果輸出電壓降至低于1.6V，模塊將重新進(jìn)入啟動(dòng)過程。在直通操作（Pass-Through operation）中，輸入電流限制功能將被禁用。

此外，模塊還具有輸出短路到地保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)功能。當(dāng)VOUT引腳短路到地且輸出電壓降至低于0.5V時(shí)，模塊會(huì)開始限制電感電流，其工作方式與軟啟動(dòng)操作相同。當(dāng)結(jié)溫超過150°C時(shí)，模塊會(huì)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)結(jié)溫降至低于熱關(guān)斷溫度閾值減去遲滯（通常為130°C）時(shí)，設(shè)備將重新開始工作。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與應(yīng)用實(shí)例

4.1 典型應(yīng)用：鋰離子電池升壓至5V

4.2 最大輸出電流估算

TPSM81299的最大輸出能力由輸入輸出比和升壓轉(zhuǎn)換器的電流限制決定。由于模塊內(nèi)部已經(jīng)嵌入了一個(gè)典型值為1μH的電感，因此無需在外部額外放置電感。最大輸出電流可以通過以下公式估算： [I{OUT (max )}=frac{V{IN} I{LIM}}{V{OUT }} eta] 其中，η為轉(zhuǎn)換效率，估算時(shí)可取85%；(I{LIM}) 為平均開關(guān)電流限制。在估算時(shí)，應(yīng)使用最小輸入電壓、最大升壓輸出電壓和最小電流限制 (I{LIM}) 作為最壞情況條件。

4.3 輸出電容選擇

輸出電容的選擇主要是為了滿足輸出紋波和環(huán)路穩(wěn)定性的要求。紋波電壓與電容的電容值及其等效串聯(lián)電阻（ESR）有關(guān)。假設(shè)使用ESR為零的陶瓷電容，對于給定的紋波電壓，所需的最小電容可以通過以下公式計(jì)算： [C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × V{RIPPLE }}] 其中，(D{MAX }) 為最大開關(guān)占空比，(V{RIPPLE}) 為峰峰值輸出紋波電壓，(I{OUT}) 為最大輸出電流，(f_{SW}) 為開關(guān)頻率。

如果使用鉭或鋁電解電容，需要考慮ESR對輸出紋波的影響。輸出電容的ESR引起的峰峰值紋波電壓可以通過以下公式計(jì)算： [V{RIPPLE(ESR) }=I{L(P)} × R_{ESR}]

在評估陶瓷電容在直流偏置電壓、老化和交流信號(hào)下的降額時(shí)需要格外注意。例如，直流偏置電壓會(huì)顯著降低電容值，陶瓷電容在額定電壓下可能會(huì)損失超過50%的電容值。因此，在選擇電容時(shí)，應(yīng)在電壓額定值上留出余量，以確保在所需輸出電壓下有足夠的電容值。增加輸出電容可以使PWM模式下的輸出紋波電壓更小。TI建議使用有效電容在4μF至1000μF范圍內(nèi)的X5R或X7R陶瓷輸出電容。當(dāng)輸出電流高于1A或使用1.5A輸入電流限制版本的TPSM812997時(shí)，有效輸出電容應(yīng)不小于20μF，否則升壓調(diào)節(jié)器可能會(huì)變得不穩(wěn)定。

4.4 輸入電容選擇

多層X5R或X7R陶瓷電容是升壓轉(zhuǎn)換器輸入去耦的理想選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袠O低的ESR，并且占用空間小。應(yīng)將輸入電容盡可能靠近設(shè)備放置。對于大多數(shù)應(yīng)用，10μF的輸入電容已經(jīng)足夠，但使用更大的值可以在無限制的情況下降低輸入電流紋波。在僅使用陶瓷輸入電容時(shí)需要注意，如果通過長電線供電，輸出端的負(fù)載階躍可能會(huì)在PVIN和AVIN引腳處引起振鈴。當(dāng)與輸出耦合時(shí)，這種振鈴可能會(huì)被誤認(rèn)為是環(huán)路不穩(wěn)定甚至損壞設(shè)備。在這種情況下，應(yīng)在陶瓷輸入電容和電源之間放置額外的大容量電容（鉭或鋁電解電容），以減少電源引線電感和陶瓷輸入電容之間可能出現(xiàn)的振鈴。

4.5 布局與熱管理

布局對于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，特別是在高峰值電流和高開關(guān)頻率的情況下。低效的布局會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性和EMI問題。因此，主電流路徑和功率接地路徑應(yīng)使用寬而短的走線，輸入和輸出電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。

TPSM81299采用QFN-FCMOD封裝，其實(shí)際的結(jié)到環(huán)境熱阻很大程度上取決于PCB類型和布局。使用厚的PCB銅層并將GND引腳焊接到大面積的接地平面可以提高熱性能。在IC周圍的頂層和底層使用更多的過孔連接接地平面，并且不使用阻焊層也可以改善熱性能。在正常工作條件下，最大結(jié)溫限制為125°C，可以通過以下公式計(jì)算最大允許功耗 (P{D(max )})，并確保實(shí)際功耗小于或等于 (P{D(max )})： [P{D(max )}=frac{125-T{A}}{R{theta J A}}] 其中，(T{A}) 為應(yīng)用的最大環(huán)境溫度，(R_{theta J A}) 為熱信息表中給出的結(jié)到環(huán)境熱阻。

五、總結(jié)

TPSM81299作為一款高性能的同步升壓模塊，以其超低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍、快速瞬態(tài)響應(yīng)和豐富的保護(hù)功能，為便攜式設(shè)備的電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，電子工程師們需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電流限制版本、輸出電壓設(shè)置、電容值等參數(shù)，并注意布局和熱管理，以充分發(fā)揮TPSM81299的性能優(yōu)勢。你在使用TPSM81299或其他類似電源管理模塊時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。