TPSM843820：高效同步降压转换器的设计与应用

在电子设计领域，电源管理模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）推出的TPSM843820同步降压转换器，它在无线基础设施、通信设备等众多领域都有着广泛的应用。

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一、产品概述

TPSM843820是一款高度集成的同步降压DC - DC转换器，采用MicroSiP电源模块封装，具有诸多出色的特性。它的输入电压范围为4V至18V，输出电压范围为0.5V至1.8V，能够提供高达8A的输出电流，非常适合高功率密度的应用场景。

1.1 主要特性

• 固定频率与先进电流模式控制：采用固定频率、内部补偿的先进电流模式（ACM）控制，无需复杂的外部补偿设计，就能实现稳定的静态和瞬态操作。内部的斜坡生成网络可以模拟电感电流信息，支持使用低ESR输出电容，如多层陶瓷电容（MLCC），同时具有较高的信噪比和良好的抗噪能力。
• 小尺寸封装：采用3.5mm × 3.5mm × 1.6mm的15引脚DFM封装MicroSiP电源模块，节省了电路板空间，非常适合对尺寸要求较高的应用。
• 高效集成：集成了25mΩ和6.5mΩ的MOSFET、电感和基本无源元件，提高了转换效率，减少了外部元件数量。
• 灵活的参数选择：提供三种可选的PWM斜坡选项，可优化控制环路性能；有五种可选的开关频率（500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz），还能同步到外部时钟；具有可选的软启动时间（0.5ms、1ms、2ms和4ms），可实现单调启动到预偏置输出；支持可选的电流限制，以满足不同的电流操作需求。
• 全面的保护功能：具备输出过压、输出欠压、输入欠压、过流和过温保护，确保了系统的可靠性和稳定性。

1.2 应用领域

TPSM843820适用于多种应用场景，包括无线基础设施和有线通信设备、光模块、测试与测量、医疗保健、航空航天和国防等领域。

二、引脚配置与功能

TPSM843820的引脚配置清晰，每个引脚都有其特定的功能。下面是主要引脚的功能介绍：

• FB（引脚1）：用于输出电压调节的反馈引脚，通过连接到电阻分压器的中点来设置输出电压。
• AGND（引脚2）：内部模拟电路的接地返回引脚。
• BP5（引脚3）：内部5V稳压器输出，需用2.2μF电容旁路到AGND。
• PG（引脚4）：开漏电源良好指示器。
• MODE（引脚5）：通过连接到地的电阻选择电流限制、软启动速率和PWM斜坡幅度。
• EN（引脚6）：使能引脚，可浮空使能，也可通过外部信号进行使能和禁用，还能通过电阻分压器调整输入欠压锁定。
• PGND（引脚7、8、9）：功率级的接地返回引脚，内部连接到低端MOSFET的源极。
• VIN（引脚10）：功率级的输入电源，需对这些引脚到PGND进行低阻抗旁路，靠近IC处需连接47nF至100nF的电容。
• SW（引脚11）：模块的开关节点，仅用于监测。
• BOOT（引脚12）：内部高端MOSFET栅极驱动器的电源，由于与SW引脚的电容已集成，此引脚仅用于监测。
• SYNC/FSEL（引脚13）：频率选择和外部时钟同步引脚，通过连接到地的电阻设置器件的开关频率，也可施加外部时钟进行同步。
• VOUT（引脚14）：降压输出电压，需连接输出电容到该节点。
• PAD/PGND（引脚15）：连接到PGND的散热焊盘。

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

在使用TPSM843820时，需要注意其绝对最大额定值，包括输入电压、输出电压、工作结温、存储温度等。例如，输入电压VIN的范围为 - 0.3V至20V，工作结温范围为 - 40°C至125°C。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

3.2 ESD评级

该器件具有一定的静电放电（ESD）保护能力，人体模型（HBM）的ESD评级为±2000V，充电设备模型（CDM）的ESD评级为±500V。

3.3 推荐工作条件

推荐的输入电压范围为4V至18V，输出电压范围为0.5V至1.8V，输出电流最大为8A。在这些条件下，器件能够稳定工作并发挥最佳性能。

3.4 热信息

了解器件的热特性对于确保其在不同环境下的正常工作至关重要。TPSM843820的结到环境的热阻RθJA为29.9°C/W，结到电路板的表征参数ψJB为9.82°C/W。

3.5 电气特性

包括电源电压、使能和欠压锁定、内部LDO BP5、参考电压、开关频率和振荡器、同步、软启动、功率级、电流感测和过流保护、输出过压和欠压保护、电源良好、打嗝、输出放电和热关断等方面的特性。这些特性决定了器件在不同工作条件下的性能表现。

四、详细描述

4.1 概述

TPSM843820采用固定频率的先进电流模式控制，开关频率范围为500kHz至2.2MHz，可根据需要选择合适的频率以优化效率和尺寸。其内部补偿设计减少了外部元件数量，集成的高频电容降低了开关节点的瞬态峰值。

4.2 功能框图

从功能框图可以看出，该器件包含了多个关键模块，如VIN引脚和VIN欠压锁定（UVLO）、使能和可调UVLO、输出电压调节、开关频率选择、同步、斜坡幅度选择、软启动和预偏置输出启动、功率良好监测、电流保护、输出过压和欠压保护、过温保护和输出电压放电等功能模块。

4.3 特性描述

• VIN引脚和VIN UVLO：VIN引脚为器件的内部控制电路和功率级提供输入电压，输入电压范围为4V至18V。当VIN引脚电压低于内部VIN UVLO阈值时，器件将被禁用，且该阈值具有150mV的迟滞。
• 使能和可调UVLO：EN引脚用于控制器件的开启和关闭。当EN引脚电压超过阈值电压且VIN引脚电压超过VIN UVLO阈值时，器件开始启动序列。可以通过外部电阻分压器调节输入电压UVLO和迟滞。
• 调整输出电压：通过连接从输出（VOUT）到FB引脚的电阻分压器来设置输出电压，推荐使用1%公差或更好的分压器电阻。
• 开关频率选择：通过在SYNC/FSEL引脚和AGND之间连接电阻来选择开关频率，有五种可选频率，需使用1%公差或更好的电阻。
• 开关频率同步到外部时钟：器件可以通过在SYNC/FSEL引脚施加占空比为20%至80%的方波时钟信号来同步到外部时钟。在启动前或运行期间均可施加时钟信号。
• 斜坡幅度选择：通过在MODE引脚连接到AGND的电阻选择三种不同的斜坡电容（1pF、2pF和4pF），以优化内部环路性能。
• 软启动和预偏置输出启动：在启动期间，器件通过软斜坡参考电压来减少浪涌电流。有四种软启动时间可选，且在预偏置输出条件下，器件在启动时以不连续传导模式（DCM）运行，确保输出电压平滑单调。
• MODE引脚：通过连接到MODE和AGND之间的单个电阻RMODE来编程斜坡幅度、软启动时间和电流限制设置。
• 功率良好（PGOOD）：PGOOD引脚是一个开漏输出，需要外部上拉电阻来输出高信号。当FB引脚电压在内部电压参考的92%至108%之间，软启动完成且经过256μs的消隐时间后，PGOOD引脚被释放并浮空。
• 电流保护：器件通过逐周期电流限制对高端MOSFET和低端MOSFET进行过流保护。在正电感电流和负电感电流条件下，有不同的保护机制。当出现连续15个周期的过流情况时，器件进入打嗝模式。
• 输出过压和欠压保护：当检测到过压时，器件尝试将输出电压放电到安全水平后再重启；当检测到欠压时，器件进入打嗝模式，等待七个软启动周期后再重启。
• 过温保护：当芯片温度超过165°C时，器件关闭；当温度下降到滞后水平（通常为12°C）以下时，器件重启。
• 输出电压放电：当器件因故障条件而禁用高端FET和低端FET时，输出电压放电模式被启用，通过开启从SW到PGND的放电FET来放电输出电压。

4.4 器件功能模式

• 强制连续传导模式（FCCM）：TPSM843820在正常运行期间始终以强制连续传导模式运行。
• 软启动期间的不连续传导模式（DCM）：在软启动的前16个PWM周期内，转换器以不连续传导模式运行，通过零交叉检测比较器在电流达到零安培时关闭低端MOSFET，防止输出预偏置条件下的放电。16个周期后，转换器进入FCCM模式。

五、应用与实现

5.1 应用信息

TPSM843820是一款专为4V至18V输入和8A负载设计的同步降压调节器，适用于使用陶瓷输出电容的高频开关调节器设计。

5.2 典型应用

以1.0V输出、1.5MHz应用为例，详细介绍了设计过程：

• 开关频率选择：根据应用需求选择合适的开关频率，通常选择较高的开关频率可以减小设计尺寸，但会增加开关功率损耗。通过计算最大开关频率，并考虑最小导通时间和最小关断时间的限制，选择了1500kHz的开关频率，并通过8.06kΩ的FSEL电阻进行设置。
• 输出电感选择：模块内部集成了优化的220nF电感。
• 输出电容选择：输出电容的选择需要考虑输出电压纹波和负载电流变化的响应。根据不同的标准计算最小输出电容，包括负载瞬态响应、电感电流斜率限制、输出电压纹波和控制环路稳定性等方面。最终选择了一个47μF和三个100μF的陶瓷电容并联，以满足设计要求。
• 输入电容选择：输入电容需要使用X5R、X7R或类似类型的陶瓷电容，从VIN到PGND靠近IC放置，至少需要10μF的电容，部分应用可能需要额外的大容量电容。
• 可调欠压锁定：通过外部电阻分压器调整欠压锁定（UVLO）的阈值，设置电源在输入电压上升到4V时开启，下降到3.95V时关闭。
• 输出电压电阻选择：使用10kΩ的RFBB电阻和计算得到的10kΩ的RFBT电阻来设置输出电压。
• 自举电容选择：模块内部集成了连接在BOOT和SW引脚之间的0.1μF陶瓷电容。
• BP5电容选择：需要在BP5引脚和AGND之间连接2.2μF的陶瓷电容，电容额定电压至少为10V。
• PGOOD上拉电阻：使用10kΩ的电阻上拉功率良好信号，上拉电压源必须小于PGOOD引脚的6V绝对最大值。
• 电流限制选择：根据最大稳态峰值电流选择合适的电流限制设置，确保最小电流限制大于1.1倍的最大稳态峰值电流。
• 软启动时间选择：根据负载的特定时序要求选择软启动时间，以避免过大的充电电流导致输入电压轨下降。
• 斜坡选择和控制环路稳定性：通过计算LC双极点频率和fSW/fLC的比值，选择合适的斜坡设置。对于1V输出，当比值在35至58之间时，推荐使用1pF斜坡；在58至86之间时，推荐使用2pF斜坡；大于86时，推荐使用4pF斜坡。同时，可以使用前馈电容来增加控制环路的相位提升。
• MODE引脚设置：将MODE电阻设置为4.87kΩ，以选择高电流限制设置、1.0ms软启动和2pF斜坡。

5.3 电源供应建议

TPSM843820需要在4V至18V的输入电压范围内工作，输入电源必须良好调节。输入电源的适当旁路、PCB布局和接地方案对于电气性能至关重要。建议在器件附近放置至少4μF（降额后）的陶瓷电容，类型为X5R或更好，并将陶瓷输入电容均匀分布在器件两侧。

5.4 布局

• 布局指南：布局是电源设计的关键部分。需要将VIN、PGND和SW走线尽可能加宽，以降低走线阻抗并提高散热性能；在VIN引脚到PGND之间靠近器件放置10nF至100nF的电容，并将剩余的陶瓷输入电容放置在高频旁路电容旁边；在PGND引脚附近使用多个过孔，并通过器件下方的层将它们连接在一起；在VIN引脚附近使用过孔，并通过内部层提供低阻抗连接；将BP5电容尽可能靠近BP5和AGND引脚放置；将FB分压器的底部电阻尽可能靠近IC的FB和AGND引脚放置，并保持上部反馈电阻和前馈电容靠近IC；在AGND岛中使用多个过孔连接到内部PGND层，但不要在BP5电容和AGND引脚之间放置过孔；将FSEL和MODE电阻连接到安静的AGND岛。
• 布局示例：给出了一个PCB布局示例，展示了各个元件的放置位置和走线方式。

六、总结

TPSM843820是一款功能强大、性能优越的同步降压转换器，具有多种灵活的参数选择和全面的保护功能。在设计应用时，需要根据具体的需求和条件，合理选择开关频率、输出电感、电容等元件，并注意布局和电源供应等方面的问题。通过正确的设计和实现，可以充分发挥TPSM843820的优势，为各种电子系统提供稳定、高效的电源解决方案。大家在实际应用中是否遇到过类似电源模块的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。