TPSM63610：高性能同步降壓DC/DC電源模塊的設(shè)計與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，工程師們一直致力于尋找性能卓越、設(shè)計簡便的電源解決方案。德州儀器（Texas Instruments）的TPSM63610同步降壓DC/DC電源模塊，以其高集成度、寬輸入電壓范圍、高效能以及低電磁干擾（EMI）等特性，成為眾多應(yīng)用場景下的理想選擇。本文將深入剖析TPSM63610的特性、工作原理、設(shè)計要點(diǎn)以及典型應(yīng)用，為電子工程師們在電源設(shè)計過程中提供全面的參考。

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TPSM63610特性概述

功能安全與高集成度

TPSM63610具備功能安全能力，為功能安全系統(tǒng)設(shè)計提供了相關(guān)文檔支持。它是一款高度集成的36V、8A同步降壓模塊，內(nèi)部集成了功率MOSFET、屏蔽電感和無源元件，采用增強(qiáng)型HotRod? QFN封裝，尺寸僅為6.5mm × 7.5mm × 4mm，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能。

寬輸入輸出范圍與可調(diào)特性

該模塊的輸入電壓范圍為3V至36V，輸出電壓可在1V至20V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠滿足多種不同的電源需求。同時，其開關(guān)頻率可在200kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，通過RT引腳或外部時鐘信號進(jìn)行編程，為設(shè)計帶來了極大的靈活性。

高效能與低EMI

TPSM63610在全負(fù)載范圍內(nèi)具有超高的效率，峰值效率可達(dá)95%以上。通過外部偏置選項(xiàng)和低散熱阻抗的外露焊盤設(shè)計，進(jìn)一步提高了效率。此外，它還具有超低的傳導(dǎo)和輻射EMI特性，采用了優(yōu)化的封裝和引腳布局、雙隨機(jī)擴(kuò)頻（DRSS）調(diào)制等技術(shù)，有效降低了EMI濾波要求，能夠滿足CISPR 11和CISPR 32 Class B的EMI限制。

保護(hù)特性與可擴(kuò)展性

模塊具備多種保護(hù)特性，如過流保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)、精密使能輸入和開漏PGOOD指示器等，確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，它與TPSM63608（36V，6A）引腳兼容，方便進(jìn)行電源設(shè)計的擴(kuò)展。

引腳配置與功能詳解

引腳布局

TPSM63610采用22引腳的B3QFN RDF封裝，引腳的合理布局有助于優(yōu)化輸入和輸出電容的放置，提高模塊的性能。各個引腳都有其特定的功能，下面將對主要引腳進(jìn)行詳細(xì)介紹。

主要引腳功能

1. VIN1、VIN2：輸入電源電壓引腳，連接輸入電源，并在靠近器件的這些引腳和PGND之間連接輸入電容，以限制輸入紋波電壓。
2. RBOOT、CBOOT：用于調(diào)節(jié)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率。通過在RBOOT和CBOOT之間連接電阻，可以調(diào)整內(nèi)部串聯(lián)自舉電阻的值，從而平衡EMI和效率。當(dāng)需要更高的效率時，可將RBOOT連接到CBOOT；當(dāng)需要更低的EMI時，可連接100Ω - 500Ω的電阻。
3. SW：開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，該引腳不應(yīng)放置任何外部組件或連接到任何信號，應(yīng)盡量減少該引腳上的銅面積，以防止噪聲和EMI問題。
4. VLDOIN：內(nèi)部LDO的輸入偏置電壓引腳。連接到輸出電壓點(diǎn)可以提高效率，建議在該引腳和地之間連接一個0.1μF - 1μF的高質(zhì)量電容，以提高抗噪能力。
5. FB：反饋輸入引腳，連接反饋電阻分壓器的中點(diǎn)，用于設(shè)置輸出電壓。根據(jù)公式可計算出反饋電阻的值，以實(shí)現(xiàn)所需的輸出電壓。
6. RT：頻率設(shè)置引腳，通過在RT和AGND之間連接外部電阻，可以在200kHz至2.2MHz之間設(shè)置開關(guān)頻率。
7. PG：開漏電源良好監(jiān)控輸出引腳，當(dāng)FB電壓不在指定的窗口閾值內(nèi)時，PG引腳輸出低電平。需要一個10kΩ - 100kΩ的上拉電阻連接到合適的電壓。該引腳可用于下游穩(wěn)壓器的啟動排序、故障保護(hù)和輸出電壓監(jiān)控。
8. EN：精密使能輸入引腳，高電平使能模塊，低電平關(guān)閉模塊?？蛇B接到VIN，也可使用使能分壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精確的輸入欠壓鎖定（UVLO）功能。

TPSM63610：高效同步降壓DC/DC電源模塊的深度剖析

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。TPSM63610作為一款高性能的同步降壓DC/DC電源模塊，以其高集成度、寬輸入電壓范圍、低EMI等特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的優(yōu)勢。本文將對TPSM63610進(jìn)行全面的解析，涵蓋其特性、應(yīng)用、設(shè)計要點(diǎn)等方面，為電子工程師提供有價值的參考。

特性亮點(diǎn)

1. 功能安全能力

TPSM63610具備功能安全能力，提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計，這對于對安全性要求較高的應(yīng)用場景，如航空航天、工業(yè)自動化等領(lǐng)域至關(guān)重要。

2. 寬輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為3V至36V，輸出電壓可在1V至20V之間調(diào)節(jié)，額定輸出電流為8A，峰值可達(dá)10A，能夠滿足多種不同電源需求。

3. 高集成度與小尺寸

集成了MOSFET、電感和控制器，采用6.5mm × 7.5mm × 4mm的過模封裝，在實(shí)現(xiàn)高功率密度的同時，減小了PCB占用空間。

4. 高效與低功耗

在全負(fù)載范圍內(nèi)具有超高效率，峰值效率可達(dá)95%以上。外部偏置選項(xiàng)進(jìn)一步提高了效率，關(guān)機(jī)靜態(tài)電流僅為0.6μA（典型值）。

5. 低EMI特性

采用低噪聲封裝，具有雙輸入路徑和集成電容，可減少開關(guān)振鈴。通過電阻可調(diào)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換速率和雙隨機(jī)擴(kuò)頻（DRSS）調(diào)制，有效降低了傳導(dǎo)和輻射EMI，滿足CISPR 11和32 Class B排放標(biāo)準(zhǔn)。

6. 保護(hù)特性

具備過流和熱關(guān)斷保護(hù)功能，以及精密使能輸入和開漏PGOOD指示器，可用于電源軌排序、控制和輸入欠壓鎖定（UVLO）。

應(yīng)用領(lǐng)域

1. 測試與測量、航空航天和國防

這些領(lǐng)域?qū)﹄娫吹目煽啃?、穩(wěn)定性和低噪聲要求極高，TPSM63610的高性能特性能夠滿足其嚴(yán)格的需求。

2. 工廠自動化和控制

在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，需要高效、穩(wěn)定的電源模塊來驅(qū)動各種設(shè)備，TPSM63610的寬輸入電壓范圍和高輸出電流能力使其成為理想選擇。

3. 降壓和反相降壓 - 升壓電源

可實(shí)現(xiàn)多種電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，為不同?a target="_blank">電路設(shè)計提供了靈活性。

設(shè)計要點(diǎn)

1. 輸出電壓設(shè)置

TPSM63610的輸出電壓可通過兩個反饋電阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 進(jìn)行調(diào)節(jié)。推薦 (R{FBT}) 為100kΩ，根據(jù)公式 (R{FBB}(k Omega)=frac{R{FBT}(k Omega)}{frac{V{OUT }}{1}-1}) 計算 (R{FBB}) 的值。同時，為了提高相位裕度，可在 (R{FBT}) 上并聯(lián)一個前饋電容 (C_{FF}) 。

2. 輸入和輸出電容選擇

• 輸入電容：為了限制輸入紋波電壓，建議使用陶瓷電容，至少需要兩個10μF的陶瓷輸入電容，優(yōu)選X7R或X7S電介質(zhì)，尺寸為1206或1210。根據(jù)公式 (I{CIN, rms}=sqrt{D timesleft(I{OUT }^{2} times(1-D)+frac{Delta i{L}^{2}}{12}right)}) 計算輸入電容的RMS電流，根據(jù) (C{IN} geqleft(frac{I{OUT } × D times(1-D)}{F{S W} timesleft(Delta V{IN}-I{OUT } × R_{ESR}right)}right)) 計算所需的輸入電容值。
• 輸出電容：根據(jù)輸出電壓的不同，所需的最小輸出電容也不同。在選擇輸出電容時，需要考慮DC偏置和溫度變化的影響，建議使用陶瓷電容。

3. 開關(guān)頻率設(shè)置

通過在RT和AGND之間連接電阻 (R{RT}) ，可在200kHz至2.2MHz之間設(shè)置開關(guān)頻率，計算公式為 (R{RT}(k Omega)=frac{16.4}{F_{SW}[MHz]}-0.633) 。選擇合適的開關(guān)頻率可以優(yōu)化電感紋波電流，提高模塊的性能。

4. 頻率同步和擴(kuò)頻

可通過SYNC/MODE引腳將內(nèi)部振蕩器與外部時鐘同步，同步頻率范圍為200kHz至2.2MHz。同時，通過SPSP引腳可配置擴(kuò)頻功能，減少特定頻率的峰值發(fā)射，降低EMI。

5. 電源良好監(jiān)控（PG）

PG引腳提供電源良好狀態(tài)信號，當(dāng)輸出電壓在94%至112%的調(diào)節(jié)窗口內(nèi)時，PG引腳輸出高電平。該信號可用于下游穩(wěn)壓器的啟動排序、故障保護(hù)和輸出監(jiān)控。

6. 可調(diào)開關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換速率

通過在RBOOT和CBOOT之間連接電阻，可以調(diào)節(jié)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率，平衡EMI和效率。

7. 偏置電源調(diào)節(jié)器

VCC是內(nèi)部LDO的輸出，為控制電路供電。VLDOIN是內(nèi)部LDO的輸入，連接到 (V_{OUT}) 可提供最低的輸入電源電流，降低LDO的功耗。

8. 過流保護(hù)和熱關(guān)斷

TPSM63610采用逐周期電流限制來保護(hù)模塊免受過流情況的影響。在極端過載情況下，采用打嗝式過流保護(hù)，模塊會關(guān)閉40ms（典型值）后嘗試重啟。熱關(guān)斷功能可在結(jié)溫超過168°C（典型值）時關(guān)閉設(shè)備，當(dāng)結(jié)溫降至159°C（典型值）時嘗試重啟。

典型應(yīng)用案例

1. 高效8A（10A峰值）同步降壓穩(wěn)壓器

以一個5V、8A的降壓穩(wěn)壓器為例，輸入電壓范圍為9V至36V，開關(guān)頻率為1MHz。通過合理選擇反饋電阻、輸入和輸出電容、開關(guān)頻率等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源輸出。

2. 反相降壓 - 升壓穩(wěn)壓器

設(shè)計一個輸出為 - 12V的反相降壓 - 升壓穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為9V至24V，開關(guān)頻率為1MHz。在這種應(yīng)用中，需要特別注意輸入和輸出電容的選擇，以及輸出電壓的設(shè)置。

布局建議

1. 輸入和輸出電容布局

輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN引腳，采用雙對稱布局，以減少高頻電流產(chǎn)生的磁場干擾，提高EMI性能。輸出電容也應(yīng)靠近VOUT引腳，同樣采用雙對稱布局。

2. 反饋路徑布局

反饋電阻應(yīng)靠近FB引腳，保持反饋?zhàn)呔€盡可能短，以減少輸出電壓反饋路徑的噪聲敏感性。

3. 接地布局

使用實(shí)心接地平面作為噪聲屏蔽，將AGND引腳直接連接到PGND引腳。同時，提供足夠的PCB面積用于散熱，通過熱過孔將封裝的暴露焊盤連接到PCB接地平面。

總結(jié)

TPSM63610是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的同步降壓DC/DC電源模塊，具有寬輸入輸出范圍、高集成度、高效低功耗、低EMI等諸多優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理選擇參數(shù)和布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。希望本文能為電子工程師在使用TPSM63610進(jìn)行電源設(shè)計時提供有益的參考。

大家在使用TPSM63610的過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有獨(dú)特的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。