TPSM843A26E：高性能同步降壓模塊的深度解析

在電子設計領域，電源模塊的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的TPSM843A26E，一款16A的高性能同步降壓模塊。

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一、產(chǎn)品概述

TPSM843A26E是一款集成度高、性能卓越的同步降壓模塊，適用于輸入電壓范圍為4V至18V、輸出電壓范圍為0.5V至7V的應用場景。它采用了內(nèi)部補償?shù)墓潭l率先進電流模式（ACM）控制架構(gòu)，能夠在高達2.2MHz的開關頻率下高效工作。該模塊集成了兩個N溝道MOSFET、電感和多個無源元件，具有多種可選擇的開關頻率和軟啟動時間，還具備完善的故障保護功能，適用于航空航天、醫(yī)療保健等對電源要求較高的領域。

二、關鍵特性

2.1 控制模式與頻率選擇

• 先進電流模式（ACM）控制：這是一種模擬峰值電流模式控制拓撲，無需復雜的外部補償設計，就能支持穩(wěn)定的靜態(tài)和瞬態(tài)操作。內(nèi)部的斜坡生成網(wǎng)絡模擬電感電流信息，使得可以使用低ESR輸出電容器，如多層陶瓷電容器（MLCC），同時提高了信噪比，增強了抗噪能力。
• 多頻率選擇：提供了500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz五種可選擇的開關頻率，可通過連接一個電阻到AGND來設置。較高的開關頻率可以減小解決方案的尺寸，但會增加開關損耗，需要根據(jù)具體應用進行權(quán)衡。

2.2 輸出電壓調(diào)節(jié)與遠程感應

• 輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.5V至7V，可通過連接到FB引腳的電阻分壓器進行編程。使用1%公差或更好的電阻，以確保輸出電壓的精度。
• 遠程感應放大器：通過專用的高速、低偏移儀表放大器實現(xiàn)輸出電壓的遠程感應，提高了輸出電壓的調(diào)節(jié)精度。

2.3 軟啟動與預偏置輸出啟動

• 軟啟動功能：在啟動過程中，模塊會將參考電壓從0緩慢增加到最終值，從而減少轉(zhuǎn)換器的浪涌電流。提供1ms、2ms、4ms和8ms四種軟啟動時間選擇，可通過MSEL引腳的電阻進行設置。
• 預偏置輸出啟動：在啟動前存在預偏置輸出的情況下，模塊可以防止輸出電流放電，確保啟動過程的穩(wěn)定性。

2.4 保護功能

• 過流保護：通過逐周期電流限制對高側(cè)和低側(cè)MOSFET進行保護，在長時間過流情況下進入打嗝模式。高側(cè)和低側(cè)的過流閾值可通過MSEL引腳進行編程，有“高”和“低”兩種設置。
• 過壓和欠壓保護：當檢測到輸出過壓時，模塊會嘗試將輸出電壓放電到安全水平后再重啟；當檢測到輸出欠壓時，模塊會進入打嗝模式，等待七個軟啟動周期后再重啟。
• 過溫保護：當芯片溫度超過165°C時，模塊會關閉；當溫度冷卻到滯后水平（通常為12°C）以下時，模塊會自動重啟。

三、引腳配置與功能

TPSM843A26E采用25引腳的B3QFN - RDG封裝，每個引腳都有其特定的功能：

• VOUT（1,20）：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓引腳。
• FB（2）：反饋引腳，用于連接電阻分壓器以設置輸出電壓。
• GOSNS（3）：接地感應返回引腳，是差分遠程感應放大器的輸入。
• AGND（4）：模擬接地返回引腳。
• BP5（5）：內(nèi)部模擬控制電路的旁路引腳，內(nèi)部已進行旁路，無需外部旁路。
• VIN（6,7,14,15,23）：電源級的輸入電源引腳，需要低阻抗旁路到PGND。
• PGND（8,9,12,13,21,22,24,25）：電源級的接地返回引腳，部分引腳還可作為熱過孔幫助散熱。
• SW（10）：轉(zhuǎn)換器的開關節(jié)點引腳，應保持浮空。
• BOOT（11）：內(nèi)部高側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動器的電源引腳，應保持浮空。
• EN（16）：使能引腳，可通過浮空、接高電平、外部信號或使用UVLO電阻來使能設備。
• PG（17）：開漏電源良好指示引腳，需要外部上拉電阻。
• SYNC/FSEL（18）：頻率選擇和外部時鐘同步引腳，可通過連接電阻到AGND設置開關頻率，也可連接外部時鐘進行同步。
• MSEL（19）：用于選擇電流限制、軟啟動速率和PWM斜坡幅度設置。

四、應用設計

4.1 典型應用示例

以12V輸入、1.0V輸出、1MHz的應用為例，詳細介紹設計步驟：

• 開關頻率選擇：選擇1000kHz的開關頻率，通過連接11.8kΩ的電阻到FSEL引腳來設置。較高的開關頻率可以減小電感和輸出電容的尺寸，但會增加開關損耗。
• 輸出電感選擇：模塊內(nèi)部集成了優(yōu)化的600nH電感。
• 輸出電容選擇：需要考慮輸出電壓紋波和負載瞬態(tài)響應兩個因素。根據(jù)計算，最小輸出電容應滿足多個條件，最終選擇四個100μF、10V、X5R、1210陶瓷電容器并聯(lián)，以滿足輸出電壓紋波和負載瞬態(tài)響應的要求。
• 輸入電容選擇：輸入電容應選擇X5R、X7R等類型的陶瓷電容，總電容至少為66μF。在本例中，選擇了多個不同規(guī)格的陶瓷電容并聯(lián)，并放置在靠近IC的位置，以提供高頻旁路，減少輸入電壓紋波。
• 可調(diào)欠壓鎖定（UVLO）：通過外部電壓分壓器網(wǎng)絡調(diào)整UVLO的閾值，設置電源在輸入電壓高于4.5V時啟動，低于3.95V時停止。
• 輸出電壓電阻選擇：使用1%公差或更好的電阻，通過電阻分壓器設置輸出電壓。在本例中，選擇4.99kΩ的(R{FBB})和4.99kΩ的(R{FBT})。
• 其他元件選擇：包括自舉電容、BP5電容、PG上拉電阻、電流限制選擇、軟啟動時間選擇和斜坡選擇等，都需要根據(jù)具體應用進行合理設置。

4.2 布局設計

布局設計對于電源模塊的性能至關重要，以下是一些關鍵的布局準則：

• 減少阻抗：使VIN、PGND和SW走線盡可能寬，使用過孔和其他層的走線來降低VIN和PGND走線的阻抗。
• 降低噪聲：在PGND引腳附近使用多個過孔，并通過內(nèi)部層將它們連接在一起，以減少噪聲并幫助散熱。
• 元件放置：將電感盡可能靠近設備，將FB分壓器的底部電阻靠近FB和GOSNS引腳，同時保持上反饋電阻和前饋電容靠近IC。
• 接地連接：使用過孔將頂層的AGND島連接到內(nèi)部層的AGND島，并在一點將內(nèi)部AGND島連接到PGND。

五、總結(jié)

TPSM843A26E是一款功能強大、性能優(yōu)越的同步降壓模塊，具有多種可配置的特性和完善的保護功能，適用于多種應用場景。在設計過程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇開關頻率、輸出電感、電容等元件，并注意布局設計，以確保模塊的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為電子工程師在使用TPSM843A26E進行設計時提供一些參考和幫助。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。