TPSM83100和TPSM83101：高效集成的Buck - Boost電源模塊

引言

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電源模塊的性能和尺寸往往是工程師們關(guān)注的重點。今天我們要介紹的TPSM83100和TPSM83101就是兩款非常出色的Buck - Boost電源模塊，它們在小尺寸和高效率方面表現(xiàn)卓越，能為眾多應(yīng)用場景提供穩(wěn)定的電源解決方案。

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產(chǎn)品概述

TPSM83100和TPSM83101是采用恒定頻率峰值電流模式控制的Buck - Boost MicroSiP?電源模塊。它們集成了電感，簡化了設(shè)計，減少了外部組件，節(jié)省了PCB面積。這兩款模塊具有3A的典型峰值電流限制，輸入電壓范圍為1.6V至5.5V，輸出電壓范圍為1.2V至5.5V，能滿足多種不同的電源需求。

產(chǎn)品特性

寬電壓范圍

• 輸入電壓：支持1.6V至5.5V的輸入電壓范圍，啟動時設(shè)備輸入電壓需大于1.65V。這使得它可以適應(yīng)多種不同的電源輸入，增加了其應(yīng)用的靈活性。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為1.2V至5.5V，在PFM模式下還支持1.0V輸出。對于不同的負(fù)載需求，都能提供合適的電壓輸出。

高輸出電流能力

具備高輸出電流能力，峰值開關(guān)電流可達(dá)3A。在不同輸入電壓條件下，能提供相應(yīng)的輸出電流，例如當(dāng) (V{IN} ≥ 3V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 時，輸出電流 (I{out}) 可達(dá)1.5A；當(dāng) (V{IN} ≥ 2.7V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 時， (I{out}) 為1.2A。

高效節(jié)能

• 低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流僅8μA，在輕載或無負(fù)載條件下，能有效降低功耗，提高效率。
• 模式選擇：具有自動省電模式和強制PWM模式。自動省電模式可根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)整工作模式，以保持整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率；強制PWM模式則可在需要時提供穩(wěn)定的輸出，減少輸出紋波。

安全可靠

• 多種保護(hù)功能：具備過流保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)和過壓保護(hù)等功能，能有效避免設(shè)備因異常情況而損壞。
• 軟啟動功能：集成了采用主動斜坡的軟啟動功能，可限制啟動時的浪涌電流，保護(hù)設(shè)備和負(fù)載。
• 真關(guān)斷功能：具有真關(guān)斷功能，能在關(guān)斷時斷開負(fù)載，確保設(shè)備的安全性。

小尺寸設(shè)計

采用MicroSiP?封裝，集成了電感，尺寸僅為2.0mm × 2.6mm × 1.2mm（最大）的8引腳μSiP封裝，非常適合對空間要求較高的應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域

電壓穩(wěn)定器

在數(shù)據(jù)通信、光模塊、制冷/加熱等設(shè)備中，可作為電壓穩(wěn)定器，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

系統(tǒng)預(yù)調(diào)節(jié)器

適用于智能手機、平板電腦、終端設(shè)備和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等，為這些設(shè)備的電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定的預(yù)調(diào)節(jié)。

負(fù)載點調(diào)節(jié)

在有線傳感器、端口/電纜適配器和加密狗等設(shè)備中，可實現(xiàn)負(fù)載點的精確電壓調(diào)節(jié)。

傳感器供電

可為指紋傳感器、攝像頭傳感器等提供穩(wěn)定的電源，如電子智能鎖和IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭中的傳感器。

引腳配置與功能

引腳布局

引腳功能詳解

• VIN：作為電源輸入引腳，為模塊提供工作所需的電壓。
• EN：用于控制模塊的開啟和關(guān)閉，方便系統(tǒng)進(jìn)行電源管理。
• MODE：通過設(shè)置該引腳的電平，可以選擇模塊的工作模式，以滿足不同的應(yīng)用需求。
• FB：反饋引腳，用于監(jiān)測輸出電壓，并通過外部電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓。

詳細(xì)工作原理

工作模式

根據(jù)輸入電壓的不同，模塊會自動在升壓、降壓或3周期Buck - Boost模式下工作。當(dāng)輸入電壓約等于輸出電壓時，會進(jìn)入3周期Buck - Boost模式。模式之間的轉(zhuǎn)換在定義的占空比下進(jìn)行，避免了模式內(nèi)的不必要切換，從而減少輸出電壓紋波。

關(guān)鍵特性描述

欠壓鎖定（UVLO）

持續(xù)監(jiān)測VIN引腳的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓低于UVLO負(fù)向閾值時，模塊停止工作；當(dāng)電壓恢復(fù)到高于UVLO正向閾值時，模塊恢復(fù)工作，并更快地重啟軟啟動程序。

使能與軟啟動

當(dāng)輸入電壓高于UVLO正向閾值且EN引腳電壓高于1.2V時，模塊啟動。啟動時，通過電感峰值電流鉗位來限制浪涌電流，確保輸出電壓平穩(wěn)上升。

可調(diào)輸出電壓

通過外部電阻分壓器連接在VOUT、FB和GND之間來設(shè)置輸出電壓。推薦低側(cè)電阻R2（FB和GND之間）低于100kΩ，高側(cè)電阻R1（FB和VOUT之間）可通過公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 計算，其中 (V_{FB}) 典型值為0.5V。

模式選擇（PFM/FPWM）

MODE引腳為數(shù)字輸入，連接低電平時，模塊工作在自動PFM模式，可在全輸出電流范圍內(nèi)保持高效率；連接高電平時，工作在強制PWM模式，可實現(xiàn)最小輸出紋波。

輸出放電（僅TPSM83101）

當(dāng)EN為低電平時，TPSM83101提供約67mA的主動下拉電流，快速放電輸出，防止輸出“浮動”或進(jìn)入不確定狀態(tài)，使電源的開啟和關(guān)閉順序更加平滑。

反向電流操作

在FPWM模式下，模塊支持反向電流操作，即電流從VOUT引腳流向VIN引腳。當(dāng)FB引腳的輸出反饋電壓高于參考電壓時，模塊調(diào)節(jié)會強制電流流入輸入電容。

保護(hù)特性

• 輸入過壓保護(hù)：避免因輸出到輸入的電流以及輸入源無法吸收電流而對設(shè)備造成損壞。當(dāng)VIN引腳達(dá)到輸入電壓閾值 (V_{T+(IVP)}) 時，保護(hù)功能會禁用強制PWM模式，僅允許電流從VIN流向VOUT。
• 輸出過壓保護(hù)：防止外部反饋引腳工作異常時對設(shè)備造成損壞。當(dāng)VOUT引腳達(dá)到輸出電壓閾值 (V_{T+(OVP)}) 時，保護(hù)功能會禁用模塊功率級，使開關(guān)節(jié)點呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。
• 短路保護(hù)：具有峰值電流限制性能，在短路或過載時保護(hù)設(shè)備。
• 熱關(guān)斷：監(jiān)測芯片溫度，當(dāng)溫度超過典型熱閾值160?C時，設(shè)備停止工作；溫度下降到典型熱關(guān)斷滯后25?C以下時，模塊恢復(fù)正常工作。

應(yīng)用與實現(xiàn)

典型應(yīng)用設(shè)計

設(shè)計要求

詳細(xì)設(shè)計步驟

1. 輸出電容選擇：推薦使用小陶瓷電容，并盡可能靠近模塊的VOUT和PGND引腳?？倶?biāo)稱輸出電容值推薦為47μF。若需使用大電容且無法靠近模塊，可并聯(lián)一個小陶瓷電容并靠近引腳放置。選擇輸出電容時要考慮直流偏置效應(yīng)，以及電容大小和瞬態(tài)響應(yīng)之間的權(quán)衡。
2. 輸入電容選擇：推薦使用22μF的X5R或X7R陶瓷電容，靠近模塊的VIN和PGND引腳，以改善調(diào)節(jié)器的線路瞬態(tài)特性和整個電源電路的EMI特性。若輸入電源距離模塊較遠(yuǎn)，可能需要額外的大容量電容。
3. 設(shè)置輸出電壓：通過外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，反饋電壓標(biāo)稱值為500mV。低側(cè)電阻R2應(yīng)低于100kΩ，高側(cè)電阻R1可通過公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 計算。

應(yīng)用曲線分析

文檔中給出了多種應(yīng)用曲線，如基于熱限制的安全工作區(qū)曲線、效率與輸出電流曲線、負(fù)載調(diào)節(jié)曲線等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解模塊在不同工作條件下的性能，從而進(jìn)行合理的設(shè)計和優(yōu)化。

電源供應(yīng)建議

TPSM83100和TPSM83101對輸入電源無特殊要求，但輸入電源的輸出電流需根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流進(jìn)行合理額定。

布局要點

布局準(zhǔn)則

PCB布局對于模塊的高性能至關(guān)重要。輸入和輸出電容應(yīng)盡可能靠近模塊，走線要短，為輸入和輸出電容設(shè)計寬而直接的走線，以降低走線電阻和寄生電感。

布局示例

文檔中給出了布局示例，可供工程師參考。

總結(jié)

TPSM83100和TPSM83101電源模塊以其寬電壓范圍、高輸出電流能力、高效節(jié)能、安全可靠和小尺寸設(shè)計等優(yōu)點，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。對于電子工程師來說，在設(shè)計過程中合理選擇和應(yīng)用這些特性，并遵循正確的設(shè)計和布局原則，將能夠充分發(fā)揮模塊的性能，為產(chǎn)品提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。你在使用這款模塊的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)留言分享。