德州儀器TPSM842xx系列電源模塊：高效集成的電源解決方案

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的選擇至關(guān)重要，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和效率。德州儀器（TI）推出的TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212電源模塊，以其高度集成的特性和出色的性能，為工程師們提供了一種便捷、高效的電源解決方案。今天，我們就來深入了解一下這一系列電源模塊。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM842xx系列是一組輸入電壓可達(dá)28V、輸出電流為1.5A的同步降壓轉(zhuǎn)換器，它們將PWM、MOSFET、電感器和控制電路集成在一個(gè)TO - 220封裝中。這種集成化設(shè)計(jì)不僅使產(chǎn)品體積更小，而且相比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，效率有了顯著提升。該系列提供3.3V、5.0V和12.0V三種固定輸出電壓選項(xiàng)，固定的400kHz（典型值）開關(guān)頻率有助于實(shí)現(xiàn)小尺寸和低輸出電壓紋波。

1. 產(chǎn)品特性

• 集成度高：將DC/DC轉(zhuǎn)換器、功率MOSFET、電感和無源元件集成在一個(gè)3引腳通孔封裝中，只需添加輸入和輸出電容，即可完成電源設(shè)計(jì)，無需進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償和磁性元件選擇。
• 效率高：最高效率可達(dá)95%，在不同輸入輸出條件下都能保持良好的效率表現(xiàn)。
• 多種保護(hù)功能：具備過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和熱關(guān)斷功能，確保在異常情況下設(shè)備的安全運(yùn)行。
• 寬工作溫度范圍：工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。
• 符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)：滿足EN55022 Class B輻射發(fā)射要求，減少電磁干擾。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 分布式電源總線供電：適用于12V、24V分布式電源總線系統(tǒng)。
• 工業(yè)白色家電：為工業(yè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
• 消費(fèi)電子：如音頻設(shè)備、機(jī)頂盒、數(shù)字電視和打印機(jī)等。

二、產(chǎn)品規(guī)格與性能

1. 絕對(duì)最大額定值

在使用過程中，需要注意輸入電壓、輸出電壓、機(jī)械沖擊、機(jī)械振動(dòng)、工作結(jié)溫、工作環(huán)境溫度和存儲(chǔ)溫度等參數(shù)的絕對(duì)最大額定值。例如，輸入電壓的絕對(duì)最大額定值為 - 0.3V至30V，超過這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞。

2. 推薦工作條件

推薦的輸入電壓和輸出電流范圍根據(jù)不同的型號(hào)有所不同。例如，TPSM84203的輸入電壓推薦范圍為4.5V至28V，輸出電流最大為1.5A。在推薦工作條件下使用設(shè)備，可以確保其性能和可靠性。

3. ESD 額定值

該系列產(chǎn)品的人體模型（HBM）靜電放電額定值為±2500V，充電設(shè)備模型（CDM）靜電放電額定值為±1500V。在處理和安裝這些集成電路時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，以避免ESD損壞。

4. 電氣特性

在不同的輸入輸出條件下，產(chǎn)品具有良好的電氣性能。例如，輸出電壓的設(shè)定點(diǎn)電壓公差在±3%以內(nèi)，溫度變化率在 - 40°C至 + 85°C范圍內(nèi)為0.4%，線調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率分別在0.4%和0.5%以內(nèi)。在效率方面，不同輸入輸出電壓組合下，效率可達(dá)87%至95%。

5. 開關(guān)特性

開關(guān)頻率典型值為400kHz，范圍在290kHz至510kHz之間。固定的開關(guān)頻率有助于控制輸出電壓紋波。

6. 典型特性曲線

文檔中給出了不同輸出電壓（3.3V、5V、12V）下的效率、功率損耗、輸出紋波電壓和安全工作區(qū)等典型特性曲線。通過這些曲線，工程師可以直觀地了解產(chǎn)品在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)與工作模式

1. 外圍電容選擇

• 輸入電容：推薦使用最小10μF的陶瓷電容（如X5R或X7R類型），對(duì)于有瞬態(tài)負(fù)載要求的應(yīng)用，還建議額外添加100μF的非陶瓷電容。輸入電容的耐壓值必須大于最大輸入電壓。
• 輸出電容：TPSM84203和TPSM84205需要最小94μF（2x47μF）的陶瓷電容，TPSM84212需要最小47μF的陶瓷電容。同樣，輸出電容的耐壓值要大于最大輸出電壓。

2. 功能特性

• 內(nèi)部軟啟動(dòng)：內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間典型值為5ms，可防止啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 預(yù)偏置輸出啟動(dòng)：能夠安全地啟動(dòng)進(jìn)入預(yù)偏置輸出電壓，防止低側(cè)MOSFET對(duì)預(yù)偏置輸出進(jìn)行放電。
• 過流保護(hù)：采用逐周期電流限制保護(hù)，當(dāng)輸出過載超過1.28ms時(shí)，設(shè)備會(huì)關(guān)閉并在約40ms后重啟，采用打嗝模式降低嚴(yán)重過流情況下的設(shè)備功耗。
• 輸出過壓保護(hù)：當(dāng)輸出電壓超過108%×VOUT時(shí)，高側(cè)MOSFET會(huì)被強(qiáng)制關(guān)閉；當(dāng)輸出電壓低于104%×VOUT時(shí)，高側(cè)MOSFET重新啟用。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過165°C（典型值）時(shí)，內(nèi)部熱關(guān)斷電路會(huì)使設(shè)備停止開關(guān)動(dòng)作；當(dāng)結(jié)溫降至155°C（典型值）以下時(shí)，設(shè)備重新啟動(dòng)。

3. 工作模式

• 正常工作模式：當(dāng)輸入電壓高于最小輸入電壓時(shí)，設(shè)備以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作，開關(guān)頻率固定為400kHz（典型值）。為降低EMI，引入了頻率擴(kuò)頻技術(shù)，抖動(dòng)頻率范圍為開關(guān)頻率的±6%，調(diào)制率為780Hz。
• Eco - mode?工作模式：在輕載條件下，設(shè)備進(jìn)入高效的脈沖跳過模式（Eco - mode）。當(dāng)開關(guān)電流降至840mA（典型值）時(shí)，開始脈沖跳過，低側(cè)FET在開關(guān)電流降至0A時(shí)關(guān)閉，此時(shí)設(shè)備呈現(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）的特性，開關(guān)頻率降低。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)例

1. 設(shè)計(jì)流程

可以使用WEBENCH? Power Designer軟件進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。具體步驟包括：輸入電壓、輸出電壓和輸出電流要求；使用優(yōu)化器調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，如效率、尺寸和成本；比較生成的設(shè)計(jì)與其他可能的解決方案。該軟件還提供定制原理圖、材料清單、實(shí)時(shí)定價(jià)和組件可用性信息，并可進(jìn)行電氣和熱仿真，導(dǎo)出定制原理圖和布局到流行的CAD格式等。

2. 典型應(yīng)用示例

以TPSM84205為例，輸入電壓為24V，輸出電壓為5V。在設(shè)計(jì)時(shí)，輸入電容添加最小10μF的陶瓷電容，輸出添加2x47μF的陶瓷電容。文檔中還給出了啟動(dòng)和關(guān)斷波形以及輻射發(fā)射圖，說明該系列產(chǎn)品的輻射發(fā)射符合EN55022 Class B標(biāo)準(zhǔn)。

五、PCB布局與電源建議

1. 電源建議

該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)在4.5V至28V的輸入電壓下工作，輸入電源必須經(jīng)過良好的調(diào)節(jié)。輸入電源的適當(dāng)旁路對(duì)于噪聲性能至關(guān)重要，同時(shí)PCB布局和接地方案也會(huì)影響產(chǎn)品性能。

2. PCB布局指南

為實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要優(yōu)化PCB布局。具體建議包括：使用大面積銅箔作為電源層（VIN、VOUT和GND），以減小傳導(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，以減少高頻噪聲；在陶瓷電容和負(fù)載之間放置額外的輸出電容；使用多個(gè)過孔將電源層連接到內(nèi)層。

總結(jié)

德州儀器的TPSM842xx系列電源模塊以其高度集成、高效、可靠的特點(diǎn)，為電子工程師提供了一種優(yōu)秀的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師可以根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格和性能要求，合理選擇輸入輸出電容，優(yōu)化PCB布局，利用WEBENCH?工具進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，從而確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似電源模塊時(shí)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。