TPSM84209電源模塊：高效集成的電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和可靠性對于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）推出的TPSM84209電源模塊，看看它有哪些獨(dú)特的特性和優(yōu)勢，以及如何在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM84209是一款易于使用的集成電源模塊，它將2.5A的DC/DC轉(zhuǎn)換器、屏蔽電感和無源元件集成在一個(gè)低輪廓的QFN封裝中。這種高度集成的設(shè)計(jì)使得該模塊僅需少量外部組件，同時(shí)還能靈活調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，以滿足特定的設(shè)計(jì)需求。

1.1 主要特性

• 小尺寸、低輪廓設(shè)計(jì)：采用4.5mm × 4mm × 2mm的QFN封裝，節(jié)省了電路板空間，適合對空間要求較高的應(yīng)用。
• 寬輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為1.2V至6V，能夠滿足多種不同設(shè)備的供電需求。
• 固定開關(guān)頻率：開關(guān)頻率固定為750kHz，有助于減少電磁干擾（EMI）。
• 先進(jìn)的Eco - mode?：在輕載條件下采用脈沖跳躍模式，提高了輕載效率。
• 可編程欠壓鎖定（UVLO）：可以通過外部電阻分壓器調(diào)整UVLO閾值，防止設(shè)備在低輸入電壓下誤啟動。
• 多種保護(hù)功能：具備過溫?zé)彡P(guān)斷保護(hù)、過流保護(hù)（打嗝模式）和安全預(yù)偏置輸出啟動功能，提高了設(shè)備的可靠性。
• 寬工作溫度范圍：IC結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C，環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，適用于各種惡劣環(huán)境。
• 良好的熱性能：熱阻為29.5°C/W，能夠有效散熱。
• 符合EMI標(biāo)準(zhǔn)：集成屏蔽電感，符合EN55011輻射EMI標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

TPSM84209適用于多種應(yīng)用場景，包括工業(yè)和電機(jī)控制、自動化測試設(shè)備、醫(yī)療和成像設(shè)備以及高密度電源系統(tǒng)等。

二、引腳配置與功能

三、規(guī)格參數(shù)

3.1 絕對最大額定值

• 輸入電壓： - 0.3V至30V
• EN、FB引腳電壓： - 0.3V至7V
• 輸出電壓： - 0.3V至7V
• SW引腳（20ns瞬態(tài)）： - 5V至30V
• 機(jī)械沖擊：1500G
• 機(jī)械振動：20G
• 工作IC結(jié)溫： - 40°C至125°C
• 工作環(huán)境溫度： - 40°C至85°C
• 存儲溫度： - 55°C至150°C

3.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：±2500V
• 帶電器件模型（CDM）：±1000V

3.3 推薦工作條件

• 輸入電壓：4.5V至28V
• 輸出電壓：1.2V至6V
• EN引腳電壓：0V至6V
• 輸出電流：0A至2.5A
• 工作環(huán)境溫度： - 40°C至85°C
• 工作IC結(jié)溫： - 40°C至125°C

3.4 熱信息

• 結(jié)到環(huán)境熱阻：32.7°C/W
• 結(jié)到頂部表征參數(shù)：2.2°C/W
• 結(jié)到板表征參數(shù)：17°C/W

3.5 電氣特性

在 - 40°C至 + 85°C的環(huán)境溫度下，輸入電壓 (V{IN}=12V) ，輸出電壓 (V{OUT}=3.3V) ，輸出電流 (I_{OUT}=2.5A) 時(shí)，TPSM84209的電氣特性如下：

• 輸入電壓：4.5V至28V
• UVLO：上升閾值3.8V至4.4V，下降閾值3.3V至3.9V
• 關(guān)斷電源電流：最大2μA
• 輸出電壓調(diào)整范圍：1.2V至6V
• 輸出電壓紋波：最大22mV
• 反饋電壓：典型值0.596V，溫度變化±0.5%，線路調(diào)整率±0.2%，負(fù)載調(diào)整率±0.5%
• 輸出電流：最大2.5A
• 過流閾值：4.8A
• 效率：在不同輸入輸出電壓和輸出電流下有不同表現(xiàn)，如 (V{IN}=24V) ， (V{OUT}=5V) ， (I_{OUT}=1A) 時(shí)，效率為86.5%
• 瞬態(tài)響應(yīng)：過沖/下沖最大90mV，恢復(fù)時(shí)間125μs

四、詳細(xì)特性描述

4.1 輸出電壓調(diào)整

通過連接到FB引腳的電阻分壓器可以編程設(shè)置TPSM84209的輸出電壓，輸出電壓調(diào)整范圍為1.2V至6V。推薦 (R{FBT}) 的值為10kΩ，對于常見的輸出電壓， (R{FBB}) 的標(biāo)準(zhǔn)值可參考數(shù)據(jù)表中的表格。對于其他輸出電壓，可以使用公式 (R{FBB}=frac{6}{(V{OUT}-0.6)}(kOmega)) 進(jìn)行計(jì)算。

4.2 輸入電容選擇

TPSM84209需要一個(gè)最小有效電容為10μF的陶瓷輸入電容，建議使用高質(zhì)量的X5R或X7R陶瓷電容，并具有足夠的電壓額定值。對于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，建議額外增加47μF的非陶瓷電容。輸入電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓，為了補(bǔ)償陶瓷電容的降額，TI建議電壓額定值為最大輸入電壓的兩倍。在最壞情況下，當(dāng)工作在50%占空比和最大負(fù)載時(shí)，輸入電容的組合紋波電流額定值必須至少為1.25Arms。

4.3 欠壓鎖定（UVLO）

TPSM84209具有內(nèi)部UVLO電路，當(dāng) (V{IN}) 電壓超過UVLO上升閾值（典型值4.1V）時(shí)，設(shè)備開始工作；當(dāng) (V{IN}) 引腳電壓低于內(nèi)部 (V{IN}) UVLO閾值時(shí)，設(shè)備禁用。內(nèi)部 (V{IN}) UVLO閾值具有500mV的遲滯。對于需要更高UVLO閾值的應(yīng)用，可以通過在EN引腳添加外部電阻分壓器來調(diào)整UVLO閾值。

4.4 輸出電容選擇

TPSM84209所需的最小輸出電容取決于輸出電壓和是否使用前饋電容 (C{FF}) 。在不使用 (C{FF}) 的情況下，不同輸出電壓范圍的最小輸出電容要求不同，具體可參考數(shù)據(jù)表中的表格。輸出電容必須由陶瓷電容或陶瓷和聚合物類型電容的組合組成，在選擇電容時(shí)需要考慮溫度和電容電壓額定值的影響。

4.5 前饋電容

TPSM84209內(nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償，以在設(shè)備的工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。根據(jù)輸出電壓和輸出電容的數(shù)量，可能需要添加額外的前饋電容 (C{FF}) 以獲得最佳性能。前饋電容應(yīng)與頂部電阻分壓器 (R{FBT}) 并聯(lián)放置，不同輸出電容下所需的 (C_{FF}) 值可參考數(shù)據(jù)表中的表格。

4.6 工作范圍

TPSM84209可以在較寬的輸入電壓和輸出電壓范圍內(nèi)工作，但并非所有輸出電壓都能在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)工作。最大和最小輸入電壓限制如圖所示，設(shè)備應(yīng)在最大和最小 (V_{IN}) 限制線之間工作。

4.7 輸出電流額定值

TPSM84209能夠提供的最大輸出電流是輸入電壓、輸出電壓和環(huán)境溫度的函數(shù)。該設(shè)備能夠提供高達(dá)2.5A的輸出電流，但具體的最大電流額定值需要參考根據(jù)特定應(yīng)用的工作條件繪制的圖表。

4.8 使能（EN）

EN引腳用于電氣控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉。當(dāng)EN引腳電壓超過閾值電壓時(shí)，設(shè)備開始工作；當(dāng)EN引腳電壓低于閾值電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)并進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。EN引腳具有內(nèi)部上拉電流源，用戶可以將EN引腳浮空以啟用設(shè)備。如果應(yīng)用需要控制EN引腳，可以使用開漏或集電極開路輸出邏輯與該引腳接口。

4.9 內(nèi)部軟啟動

TPSM84209采用內(nèi)部軟啟動功能，典型的內(nèi)部軟啟動時(shí)間設(shè)置為5ms。

4.10 安全啟動到預(yù)偏置輸出

該設(shè)備設(shè)計(jì)用于防止低端MOSFET對預(yù)偏置輸出進(jìn)行放電。在單調(diào)預(yù)偏置啟動期間，直到內(nèi)部軟啟動電壓高于FB引腳電壓時(shí)，高端和低端MOSFET才允許導(dǎo)通。

4.11 輕載效率/Eco - mode

TPSM84209在輕載條件下采用高效的脈沖跳躍模式工作。當(dāng)輸出負(fù)載電流減小時(shí)，會達(dá)到一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)單個(gè)開關(guān)脈沖傳遞的能量超過負(fù)載所能吸收的能量，導(dǎo)致輸出電壓略有上升。反饋回路會檢測到輸出電壓的上升，并通過跳過一個(gè)或多個(gè)開關(guān)周期來響應(yīng)，直到輸出電壓回落至設(shè)定點(diǎn)。在非常輕載或無負(fù)載時(shí)，會跳過許多開關(guān)周期。這種脈沖跳躍模式的運(yùn)行效果是峰 - 峰紋波電壓增加，紋波頻率降低。脈沖跳躍開始的負(fù)載電流是輸入電壓和輸出電壓的函數(shù)。

4.12 電壓降

電壓降是指在提供額定輸出電流時(shí)，為了維持輸出電壓調(diào)節(jié)所需的輸入電壓與輸出電壓之間的差值。為了確保TPSM84209在推薦的工作范圍內(nèi)維持輸出電壓調(diào)節(jié)，推薦的最小輸入電壓為4.5V或 ((V_{OUT}×1.3)) ，取較大值。不過，當(dāng)在推薦輸入電壓范圍以下運(yùn)行時(shí)，TPSM84209仍然會產(chǎn)生輸出電壓。

4.13 過流保護(hù)

為了防止負(fù)載故障，TPSM84209集成了輸出過流保護(hù)功能。當(dāng)施加的負(fù)載超過調(diào)節(jié)器的過流閾值時(shí)，輸出會關(guān)閉。關(guān)閉后，模塊會周期性地嘗試通過啟動軟啟動上電來恢復(fù)，這種工作模式稱為打嗝模式，模塊會持續(xù)進(jìn)行連續(xù)的關(guān)閉和上電循環(huán)，直到負(fù)載故障被消除。在此期間，流入故障的平均電流會顯著降低，從而減少功耗。一旦故障被消除，模塊會自動恢復(fù)并返回正常運(yùn)行。

4.14 輸出過壓保護(hù)（OVP）

TPSM84209集成了過壓瞬態(tài)保護(hù)（OVTP）電路，用于在從輸出故障條件或強(qiáng)卸載瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)最小化輸出電壓過沖。OVTP電路包括一個(gè)過壓比較器，用于比較FB引腳電壓和內(nèi)部閾值。當(dāng)FB引腳電壓超過108% × Vref時(shí)，高端MOSFET會被強(qiáng)制關(guān)閉；當(dāng)FB引腳電壓低于104% × Vref時(shí)，高端MOSFET會再次啟用。

4.15 熱性能

TPSM84209的典型熱性能如圖所示，在 (V{IN}=12V) ， (V{OUT}=3.3V) ， (I_{OUT}=2A) 且無氣流（LFM = 0）的情況下，TPSM84209的典型溫度上升比環(huán)境溫度高27.2°C。

4.16 熱關(guān)斷

內(nèi)部熱關(guān)斷電路會在結(jié)溫超過165°C（典型值）時(shí)強(qiáng)制設(shè)備停止開關(guān)。當(dāng)結(jié)溫下降到155°C（典型值）以下時(shí)，設(shè)備會重新啟動上電序列。

五、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1 應(yīng)用信息

TPSM84209是一款同步降壓DC/DC電源模塊，用于將較高的直流電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓，最大輸出電流為2.5A?？梢允褂靡韵略O(shè)計(jì)程序來選擇TPSM84209的組件，也可以使用WEBENCH?軟件生成完整的設(shè)計(jì)。

5.2 典型應(yīng)用

TPSM84209只需要幾個(gè)外部組件就可以將寬輸入電壓范圍轉(zhuǎn)換為寬范圍的輸出電壓。一個(gè)基本的TPSM84209原理圖只需要最少的組件，例如輸入電壓 (V{IN}=24V) ，輸出電壓 (V{OUT}=5V) 的設(shè)計(jì)。

5.3 設(shè)計(jì)示例

以輸入電壓 (V{IN}=24V) ，輸出電壓 (V{OUT}=5V) ，輸出電流額定值為2A的設(shè)計(jì)為例：

• 使用WEBENCH?工具進(jìn)行定制設(shè)計(jì)：通過輸入輸入電壓、輸出電壓和輸出電流要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，如效率、占地面積和成本，然后可以與德州儀器的其他可能解決方案進(jìn)行比較。WEBENCH Power Designer會提供定制的原理圖以及帶有實(shí)時(shí)定價(jià)和組件可用性的材料清單，還可以進(jìn)行電氣和熱模擬，導(dǎo)出定制的原理圖和布局到流行的CAD格式，打印設(shè)計(jì)的PDF報(bào)告并與同事分享。
• 輸出電壓設(shè)定點(diǎn)：使用電阻分壓器 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 來外部調(diào)整輸出電壓。對于 (V{OUT}=5V) ， (R{FBT}=10kΩ) ，通過公式計(jì)算 (R_{FBB}) 的值為1.36kΩ，選擇最接近的可用值1.37kΩ。
• 輸入電容：使用一個(gè)10μF、X7R介質(zhì)陶瓷電容，額定電壓為50V作為輸入去耦電容。
• 輸出電容：對于5V輸出，最小所需輸出電容為兩個(gè)47μF的陶瓷電容，這里使用兩個(gè)16V、47μF、X5R介質(zhì)陶瓷電容。
• 使能控制：EN引腳用于電氣控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉，如果應(yīng)用需要控制EN引腳，可以使用小信號、低泄漏MOSFET（如BSS138）與該引腳接口。

六、電源供應(yīng)建議

TPSM84209設(shè)計(jì)用于在4.5V至28V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸入電源必須經(jīng)過良好的調(diào)節(jié)，能夠承受最大輸入電流并保持穩(wěn)定的電壓。輸入電源軌的電阻必須足夠低，以防止輸入電流瞬變導(dǎo)致TPSM84209電源電壓下降過多，從而觸發(fā)錯(cuò)誤的UVLO故障和系統(tǒng)復(fù)位。如果輸入電源距離TPSM84209超過幾英寸，除了陶瓷旁路電容外，可能還需要額外的大容量電容，通常47μF或100μF的電解電容就足夠了。

七、布局設(shè)計(jì)

7.1 布局指南

為了實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要優(yōu)化PCB布局。一些布局考慮因素包括：

• 使用大面積的銅區(qū)域作為電源平面（VIN、VOUT和GND），以最小化傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。
• 將陶瓷輸入和輸出電容靠近設(shè)備引腳放置，以最小化高頻噪聲。
• 在陶瓷電容和負(fù)載之間放置額外的輸出電容。
• 將輸出電壓反饋電阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 盡可能靠近各自的引腳放置。
• 使用多個(gè)過孔將電源平面連接到內(nèi)部層。

7.2 EMI

TPSM84209符合EN55011輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，通過典型的輻射發(fā)射圖可以看出其在不同輸入輸出電壓和負(fù)載條件下的EMI表現(xiàn)。

7.3 封裝規(guī)格

TPSM84209的封裝規(guī)格包括重量、可燃性、MTBF計(jì)算可靠性等信息。其重量為107mg，可燃性符合UL 94 V - O標(biāo)準(zhǔn)，MTBF計(jì)算可靠性為123MHrs（Per Bellcore TR - 332，50%應(yīng)力， (T_{A}=40°C) ，地面良性）。

八、總結(jié)

TPSM84209電源模塊以其高度集成的設(shè)計(jì)、豐富的功能和良好的性能，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的電源解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮該模塊的優(yōu)勢，滿足各種不同應(yīng)用的需求。你在使用類似電源模塊時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。