TPSM843A26E：高性能同步降压模块的深度解析

在电子设计领域，电源模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）推出的TPSM843A26E，一款16A的高性能同步降压模块。

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一、产品概述

TPSM843A26E是一款集成度高、性能卓越的同步降压模块，适用于输入电压范围为4V至18V、输出电压范围为0.5V至7V的应用场景。它采用了内部补偿的固定频率先进电流模式（ACM）控制架构，能够在高达2.2MHz的开关频率下高效工作。该模块集成了两个N沟道MOSFET、电感和多个无源元件，具有多种可选择的开关频率和软启动时间，还具备完善的故障保护功能，适用于航空航天、医疗保健等对电源要求较高的领域。

二、关键特性

2.1 控制模式与频率选择

• 先进电流模式（ACM）控制：这是一种模拟峰值电流模式控制拓扑，无需复杂的外部补偿设计，就能支持稳定的静态和瞬态操作。内部的斜坡生成网络模拟电感电流信息，使得可以使用低ESR输出电容器，如多层陶瓷电容器（MLCC），同时提高了信噪比，增强了抗噪能力。
• 多频率选择：提供了500kHz、750kHz、1MHz、1.5MHz和2.2MHz五种可选择的开关频率，可通过连接一个电阻到AGND来设置。较高的开关频率可以减小解决方案的尺寸，但会增加开关损耗，需要根据具体应用进行权衡。

2.2 输出电压调节与远程感应

• 输出电压范围：输出电压范围为0.5V至7V，可通过连接到FB引脚的电阻分压器进行编程。使用1%公差或更好的电阻，以确保输出电压的精度。
• 远程感应放大器：通过专用的高速、低偏移仪表放大器实现输出电压的远程感应，提高了输出电压的调节精度。

2.3 软启动与预偏置输出启动

• 软启动功能：在启动过程中，模块会将参考电压从0缓慢增加到最终值，从而减少转换器的浪涌电流。提供1ms、2ms、4ms和8ms四种软启动时间选择，可通过MSEL引脚的电阻进行设置。
• 预偏置输出启动：在启动前存在预偏置输出的情况下，模块可以防止输出电流放电，确保启动过程的稳定性。

2.4 保护功能

• 过流保护：通过逐周期电流限制对高侧和低侧MOSFET进行保护，在长时间过流情况下进入打嗝模式。高侧和低侧的过流阈值可通过MSEL引脚进行编程，有“高”和“低”两种设置。
• 过压和欠压保护：当检测到输出过压时，模块会尝试将输出电压放电到安全水平后再重启；当检测到输出欠压时，模块会进入打嗝模式，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，模块会关闭；当温度冷却到滞后水平（通常为12°C）以下时，模块会自动重启。

三、引脚配置与功能

TPSM843A26E采用25引脚的B3QFN - RDG封装，每个引脚都有其特定的功能：

• VOUT（1,20）：转换器的输出电压引脚。
• FB（2）：反馈引脚，用于连接电阻分压器以设置输出电压。
• GOSNS（3）：接地感应返回引脚，是差分远程感应放大器的输入。
• AGND（4）：模拟接地返回引脚。
• BP5（5）：内部模拟控制电路的旁路引脚，内部已进行旁路，无需外部旁路。
• VIN（6,7,14,15,23）：电源级的输入电源引脚，需要低阻抗旁路到PGND。
• PGND（8,9,12,13,21,22,24,25）：电源级的接地返回引脚，部分引脚还可作为热过孔帮助散热。
• SW（10）：转换器的开关节点引脚，应保持浮空。
• BOOT（11）：内部高侧MOSFET栅极驱动器的电源引脚，应保持浮空。
• EN（16）：使能引脚，可通过浮空、接高电平、外部信号或使用UVLO电阻来使能设备。
• PG（17）：开漏电源良好指示引脚，需要外部上拉电阻。
• SYNC/FSEL（18）：频率选择和外部时钟同步引脚，可通过连接电阻到AGND设置开关频率，也可连接外部时钟进行同步。
• MSEL（19）：用于选择电流限制、软启动速率和PWM斜坡幅度设置。

四、应用设计

4.1 典型应用示例

以12V输入、1.0V输出、1MHz的应用为例，详细介绍设计步骤：

• 开关频率选择：选择1000kHz的开关频率，通过连接11.8kΩ的电阻到FSEL引脚来设置。较高的开关频率可以减小电感和输出电容的尺寸，但会增加开关损耗。
• 输出电感选择：模块内部集成了优化的600nH电感。
• 输出电容选择：需要考虑输出电压纹波和负载瞬态响应两个因素。根据计算，最小输出电容应满足多个条件，最终选择四个100μF、10V、X5R、1210陶瓷电容器并联，以满足输出电压纹波和负载瞬态响应的要求。
• 输入电容选择：输入电容应选择X5R、X7R等类型的陶瓷电容，总电容至少为66μF。在本例中，选择了多个不同规格的陶瓷电容并联，并放置在靠近IC的位置，以提供高频旁路，减少输入电压纹波。
• 可调欠压锁定（UVLO）：通过外部电压分压器网络调整UVLO的阈值，设置电源在输入电压高于4.5V时启动，低于3.95V时停止。
• 输出电压电阻选择：使用1%公差或更好的电阻，通过电阻分压器设置输出电压。在本例中，选择4.99kΩ的(R{FBB})和4.99kΩ的(R{FBT})。
• 其他元件选择：包括自举电容、BP5电容、PG上拉电阻、电流限制选择、软启动时间选择和斜坡选择等，都需要根据具体应用进行合理设置。

4.2 布局设计

布局设计对于电源模块的性能至关重要，以下是一些关键的布局准则：

• 减少阻抗：使VIN、PGND和SW走线尽可能宽，使用过孔和其他层的走线来降低VIN和PGND走线的阻抗。
• 降低噪声：在PGND引脚附近使用多个过孔，并通过内部层将它们连接在一起，以减少噪声并帮助散热。
• 元件放置：将电感尽可能靠近设备，将FB分压器的底部电阻靠近FB和GOSNS引脚，同时保持上反馈电阻和前馈电容靠近IC。
• 接地连接：使用过孔将顶层的AGND岛连接到内部层的AGND岛，并在一点将内部AGND岛连接到PGND。

五、总结

TPSM843A26E是一款功能强大、性能优越的同步降压模块，具有多种可配置的特性和完善的保护功能，适用于多种应用场景。在设计过程中，需要根据具体需求合理选择开关频率、输出电感、电容等元件，并注意布局设计，以确保模块的性能和稳定性。希望本文能为电子工程师在使用TPSM843A26E进行设计时提供一些参考和帮助。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。