德州儀器TLVM236x5同步降壓轉(zhuǎn)換器模塊深度剖析與設(shè)計(jì)指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。德州儀器（Texas Instruments）推出的TLVM236x5系列同步降壓轉(zhuǎn)換器模塊，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入剖析這款模塊，探討其特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：tlvm23615.pdf

一、產(chǎn)品概述

TLVM236x5是一款適用于3V至36V輸入、1V至6V輸出的同步降壓DC/DC電源模塊，有1.5A（TLVM23615）和2.5A（TLVM23625）兩種輸出電流規(guī)格可供選擇。它采用了緊湊的HotRod? QFN封裝（4.5mm × 3.5mm × 2mm），集成了MOSFET、電感、(C_{BOOT}) 電容和控制器，大大減少了外部元件數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。

1.1 關(guān)鍵特性

• 功能安全能力：提供相關(guān)文檔，助力功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 寬輸入電壓范圍：3V至36V的輸入電壓范圍，可適應(yīng)多種電源環(huán)境，輸入瞬態(tài)保護(hù)高達(dá)40V，增強(qiáng)了模塊的可靠性。
• 高效性能：在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超高效率，例如在(12V V{IN})、(5V V{OUT})、1MHz、(I{OUT}=2.5A)的條件下，效率大于88%；在(24V V{IN})、(5V V{OUT})、1MHz、(I{OUT}=2.5A)時(shí)，效率大于87%。同時(shí)，在(13.5V)時(shí)待機(jī)電流低至1.5μA，有效降低了功耗。
• 低EMI設(shè)計(jì)：采用Flip-chip on lead（FCOL）封裝技術(shù)，集成電感和啟動(dòng)電容，符合CISPR 11 Class B標(biāo)準(zhǔn)，滿足超低EMI要求。
• 輸出電壓和電流可選：輸出電壓可在1V至6V之間調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 可擴(kuò)展電源設(shè)計(jì)：引腳與TPSM365R6（65V，600mA）兼容，方便進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。還可使用WEBENCH? Power Designer創(chuàng)建自定義設(shè)計(jì)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TLVM236x5適用于多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，如工廠自動(dòng)化、測(cè)試與測(cè)量、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等。這些領(lǐng)域?qū)﹄娫吹姆€(wěn)定性、效率和可靠性有較高要求，TLVM236x5的特性正好滿足了這些需求。

三、詳細(xì)特性分析

3.1 輸入電壓范圍

TLVM236x5的穩(wěn)態(tài)輸入電壓范圍為3V至36V，可用于常見的12V至36V輸入電源軌的降壓轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意VIN引腳的電壓在線路或負(fù)載瞬態(tài)事件中不能超過40V的絕對(duì)最大電壓額定值，否則可能會(huì)損壞IC。

3.2 輸出電壓選擇

輸出電壓可通過兩個(gè)外部電阻(R{FBT})和(R{FBB})進(jìn)行設(shè)置。連接(R{FBT})在VOUT調(diào)節(jié)點(diǎn)和FB引腳之間，連接(R{FBB})在FB引腳和AGND之間?？烧{(diào)輸出電壓范圍為1.0V至6V，為確保電源模塊調(diào)節(jié)到所需輸出電壓，(R{FBT})和(R{FBB})并聯(lián)組合的典型最小值為5kΩ，典型最大值為10kΩ。對(duì)于可調(diào)輸出選項(xiàng)，可能需要在(R{FBT})上并聯(lián)一個(gè)前饋電容(C{FF})來優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

3.3 輸入和輸出電容

• 輸入電容：輸入電容用于限制模塊的輸入紋波電壓，TI建議使用陶瓷電容，以在寬溫度范圍內(nèi)提供低阻抗和高RMS電流額定值。TLVM236x5至少需要4.7μF的陶瓷輸入電容，且電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓。
• 輸出電容：表7 - 1列出了TLVM236x5所需的最小輸出電容。使用陶瓷電容時(shí)，需考慮DC偏置和溫度變化的影響?？商砑宇~外的電容來降低紋波電壓或滿足瞬態(tài)負(fù)載要求，但要注意限制總輸出電容的最大值。

3.4 使能、啟動(dòng)和關(guān)機(jī)

EN引腳控制TLVM236x5的啟動(dòng)或遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)。當(dāng)EN引腳電壓低于(V{EN - WAKE})時(shí)，器件處于關(guān)機(jī)狀態(tài)；當(dāng)電壓高于(V{EN - WAKE})時(shí)，進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng)電壓接近(V{EN - RISE})時(shí)，器件開始切換，進(jìn)入啟動(dòng)模式并進(jìn)行軟啟動(dòng)。在關(guān)機(jī)過程中，當(dāng)EN輸入電壓低于((V{EN - RISE}-V{EN - HYS}))時(shí)，調(diào)節(jié)器停止切換，重新進(jìn)入待機(jī)模式；當(dāng)電壓低于(V{EN - WAKE})時(shí)，器件徹底關(guān)機(jī)。

3.5 開關(guān)頻率

帶有RT引腳的TLVM236x5可讓電源設(shè)計(jì)師在200kHz至2.2MHz之間設(shè)置所需的工作頻率?？赏ㄟ^RT引腳連接不同的電阻值來實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，也可選擇MODE/SYNC引腳變體與外部時(shí)鐘信號(hào)同步。

3.6 電源良好輸出操作

PGOOD引腳的電源良好功能可在輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍時(shí)復(fù)位系統(tǒng)微處理器。該引腳為開漏輸出，在設(shè)備故障條件（如電流限制和熱關(guān)斷）以及正常啟動(dòng)期間保持低電平。通過設(shè)置故障條件和恢復(fù)條件，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.7 內(nèi)部LDO、VCC和VOUT/FB輸入

TLVM236x5使用內(nèi)部LDO輸出和VCC引腳為所有內(nèi)部電源供電，VCC電壓通常為3.3V。在啟動(dòng)期間，VCC會(huì)瞬間超過正常工作電壓，然后降至正常水平。

3.8 自舉電壓和VBOOT - UVLO

高側(cè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路需要一個(gè)高于VIN的偏置電壓來確保HS開關(guān)導(dǎo)通。內(nèi)部有一個(gè)0.1 - μF的電容連接在BOOT和SW之間，作為電荷泵將BOOT端子的電壓提升至(SW + VCC)。BOOT軌有UVLO設(shè)置，閾值通常為2.1V。

3.9 軟啟動(dòng)和從壓降中恢復(fù)

軟啟動(dòng)可在電源施加到VIN引腳、EN用于開啟設(shè)備或從過熱保護(hù)關(guān)機(jī)中恢復(fù)時(shí)觸發(fā)。觸發(fā)后，輸出電壓緩慢上升，操作模式設(shè)置為自動(dòng)模式，激活低側(cè)MOSFET的二極管仿真模式。從壓降中恢復(fù)時(shí)，輸出電壓下降后會(huì)緩慢上升，若設(shè)備設(shè)置為FPWM模式，則在恢復(fù)過程中繼續(xù)以該模式運(yùn)行。

3.10 過流保護(hù)（打嗝模式）

TLVM236x5通過對(duì)高側(cè)（HS）和低側(cè)（LS）MOSFET的逐周期電流限制電路來保護(hù)設(shè)備免受過流情況的影響。當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，輸出電壓降低，開關(guān)頻率減小。若FB輸入電壓因短路降至約0.4V（VHICCUP），設(shè)備進(jìn)入打嗝模式，停止切換一段時(shí)間后重新啟動(dòng)。

3.11 熱關(guān)斷

當(dāng)器件結(jié)溫超過168°C（典型值）時(shí)，熱關(guān)斷功能會(huì)關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)，以限制總功耗。熱關(guān)斷觸發(fā)溫度不低于158°C，結(jié)溫下降到約153°C（典型值）時(shí)，設(shè)備嘗試再次軟啟動(dòng)。

四、設(shè)備功能模式

4.1 關(guān)機(jī)模式

當(dāng)EN引腳電壓低于0.7V（典型值）時(shí)，電源模塊無輸出電壓，處于關(guān)機(jī)模式，靜態(tài)電流降至約250nA。

4.2 待機(jī)模式

當(dāng)EN引腳電壓高于1V（最大值）且低于輸出電壓的精密使能閾值時(shí)，內(nèi)部LDO將VCC電壓調(diào)節(jié)到3.3V（典型值），SW節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部功率MOSFET保持關(guān)閉。

4.3 活動(dòng)模式

當(dāng)EN引腳高于(V{EN - RISE})、(V{IN})大于(V_{IN})（最小值）且無其他故障條件時(shí)，TLVM236x5處于活動(dòng)模式。根據(jù)負(fù)載電流、輸入電壓和輸出電壓，可處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、自動(dòng)模式（輕載操作）、FPWM模式（輕載操作）、最小導(dǎo)通時(shí)間模式或壓降模式。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 設(shè)計(jì)要求與流程

設(shè)計(jì)TLVM236x5電源模塊時(shí)，可使用WEBENCH在線軟件生成完整設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程包括確定輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流和開關(guān)頻率等參數(shù)，然后選擇合適的組件。

5.2 組件選擇

• 開關(guān)頻率：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，可參考表7 - 1選擇推薦的開關(guān)頻率。例如，對(duì)于5V輸出，推薦開關(guān)頻率為1MHz，可將RT引腳連接到VCC來設(shè)置。
• 輸出電壓設(shè)置：通過電阻分壓器外部設(shè)置可調(diào)輸出電壓，(R{FBB})推薦值為10kΩ，(R{FBT})可從表7 - 1中選擇或使用公式計(jì)算。
• 輸入電容：TLVM236x5至少需要4.7μF的輸入電容，建議并聯(lián)一個(gè)0.1 - μF的電容以改善旁路效果。
• 輸出電容：對(duì)于5V輸出，至少需要25μF的有效輸出電容?？商砑宇~外電容來降低紋波電壓，但要注意限制總電容值。
• VCC：VCC引腳是內(nèi)部LDO的輸出，需要連接一個(gè)1μF、16V的陶瓷電容到GND。
• (C_{FF})選擇：在某些情況下，可使用前饋電容(C_{FF})來改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)或環(huán)路相位裕度，但要注意其值必須滿足一定條件。
• 電源良好信號(hào)：需要電源良好信號(hào)的應(yīng)用，需在PGOOD引腳和有效電壓源之間使用上拉電阻。
• 最大環(huán)境溫度：要考慮TLVM236x5在運(yùn)行時(shí)的功率損耗對(duì)內(nèi)部溫度的影響，通過相關(guān)公式和資源來估計(jì)最大環(huán)境溫度和輸出電流。

5.3 布局指南

PCB布局對(duì)開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，要遵循以下準(zhǔn)則：

• 輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN和GND端子。
• VCC的旁路電容應(yīng)靠近VCC引腳。
• 反饋分壓器應(yīng)盡可能靠近FB引腳。
• 使用至少一個(gè)中間層作為接地平面。
• 為VIN、VOUT和GND提供寬路徑。
• 提供足夠的PCB面積進(jìn)行散熱。
• 使用多個(gè)過孔連接電源平面到內(nèi)部層。

六、總結(jié)

TLVM236x5同步降壓轉(zhuǎn)換器模塊以其出色的性能、豐富的特性和靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮其各項(xiàng)特性和要求，合理選擇組件和進(jìn)行PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為工程師們?cè)谑褂肨LVM236x5模塊時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用這款模塊的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。