TPSM8291x 低噪声降压电源模块：特性、应用与设计指南

在电子设计领域，对于低噪声、低纹波电源的需求日益增长。德州仪器（TI）的 TPSM8291x 系列 3 - V 至 17 - V、2 - A/3 - A 低噪声和低纹波降压电源模块，凭借其出色的性能和丰富的功能，成为了众多噪声敏感应用的理想选择。本文将深入探讨 TPSM8291x 模块的特性、应用场景以及详细的设计要点。

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一、TPSM8291x 模块特性剖析

1. 卓越的噪声与纹波特性

TPSM8291x 模块具有极低的输出噪声和纹波，输出噪声小于 20 μV_RMS（100 Hz 至 100 kHz），经过铁氧体磁珠后输出电压纹波小于 10 μV_RMS。同时，它还拥有大于 65 dB（高达 100 kHz）的高电源抑制比（PSRR），能够有效减少电源干扰对系统的影响。

2. 灵活的控制与调制选项

该模块采用 2.2 - MHz 或 1 - MHz 固定频率峰值电流模式控制，并支持与外部时钟同步。此外，还集成了环路补偿功能，可配合铁氧体磁珠实现二阶 L - C 滤波器，衰减达 30 dB。同时，还提供可选的扩频调制功能，有助于降低 DC/DC 开关频率的杂散信号。

3. 广泛的电压范围与高精度输出

输入电压范围为 3.0 - V 至 17 - V，输出电压范围为 0.8 - V 至 5.5 - V，能够满足多种不同应用的需求。输出电压精度达到 ±1%，确保了系统的稳定性和可靠性。

4. 丰富的功能特性

具备精确的使能输入，允许用户自定义欠压锁定和精确的时序控制；可调节软启动功能，避免启动时的电流冲击；电源良好输出信号（PG）可用于判断电源状态；还提供可选的输出放电功能。其工作结温范围为 - 40°C 至 125°C，- ET 版本的工作温度范围更宽，可达 - 55°C 至 125°C。

二、应用领域广泛

TPSM8291x 模块适用于多种对噪声敏感的应用场景，如电信基础设施、测试与测量设备、航空航天与国防（雷达、航空电子设备）以及医疗设备等。在这些应用中，低噪声和低纹波的电源对于保证系统的性能和精度至关重要。

三、模块详细描述

1. 工作原理与架构

TPSM8291x 是一款高效的低噪声、低纹波电流模式同步降压电源模块。它通过对内部参考电压进行滤波，实现了类似于低噪声 LDO 的低噪声输出。模块采用 2.2 - μH 集成电感，工作在 2.2 MHz 或 1 MHz 的固定开关频率下，并可与外部时钟同步。通过添加可选的二阶 L - C 滤波器，可进一步降低输出电压纹波。

2. 功能特性详解

• 智能配置（S - CONF）：通过 S - CONF 引脚连接不同阻值的电阻，可配置模块的开关频率、扩频调制、输出放电和同步等功能。具体配置选项可参考文档中的表格。
• 设备使能与同步（EN/SYNC）：将 EN/SYNC 引脚拉高可使能设备，使能后根据 S - CONF 引脚的配置设置工作模式。该引脚还可用于设备同步，外部时钟频率需在 S - CONF 引脚设置的同步频率范围内。
• 扩频调制：可选的扩频调制功能通过两种不同的调制方案（随机或三角调制）将开关频率扩展到更大的频率范围，从而降低输出频谱中的杂散信号，适用于对噪声敏感的 ADC 等应用。
• 输出放电：根据 S - CONF 设置，可启用或禁用输出放电功能。启用时，输出电压通过约 7 Ω 的放电电阻拉低，在热关断、欠压锁定或 EN/SYNC 引脚拉低时起作用。
• 欠压锁定（UVLO）：为避免在低输入电压下误操作，当输入电压高于欠压锁定阈值时设备启用，低于该阈值时设备禁用。
• 电源良好输出（PG）：PG 引脚为开漏输出，当 FB 引脚电压高于标称电压的 95% 时，PG 引脚呈高阻态；低于标称电压的 90% 时，PG 引脚被拉低。可用于多个电源轨的时序控制。
• 噪声降低与软启动电容（NR/SS）：连接到 NR/SS 引脚的电容可降低转换器的低频噪声并设置软启动时间。电容越大，噪声越低，启动时间越长。模块内部已连接 220 - nF 电容，默认启动时间为 2.35 ms。
• 电流限制与短路保护：模块具备短路和过流保护功能。当电感电流达到阈值 I_SWpeak 时，高端 MOSFET 关断，低端 MOSFET 导通以降低电感电流。同时，低端 MOSFET 还设有负电流限制，防止电流反向流动。
• 热关断：当结温超过约 170°C 时，模块进入热关断状态，具有 20°C 的迟滞。

3. 设备功能模式

• 固定频率脉冲宽度调制（PWM）：为最小化输出电压纹波，模块在轻载至满载范围内均采用固定频率 PWM 模式工作。可通过 S - CONF 引脚选择 1 MHz 或 2.2 MHz 的开关频率。
• 低占空比操作：对于高输入电压或低输出电压的情况，70 - ns 的最小导通时间限制了输入输出电压差和开关频率的选择。当达到最小导通时间时，输出电压会超过调节点。
• 高占空比操作（100% 占空比）：当输入输出电压差较小时，模块进入 100% 占空比模式，高端 MOSFET 持续导通。维持输出电压调节所需的最小输入电压可根据公式计算。
• 二阶 L - C 滤波器补偿（可选）：对于大多数低噪声和低纹波应用，如 ADC、DAC 和抖动清除器等，可添加二阶 L - C 滤波器进一步衰减输出电压纹波。模块内部已对 L - C 滤波器产生的双极点进行了补偿，以提高负载调节性能。

四、设计与应用要点

1. 典型应用电路

文档中给出了典型的应用电路图，包括输入电容、输出电容、铁氧体磁珠、反馈电阻等元件的连接方式。详细的元件清单可参考文档中的表格。

2. 设计要求与优化思路

外部元件的选择需要满足应用需求，并确保控制环路的稳定性。设计时可根据不同的应用目标进行优化，如效率、输出纹波、元件数量和最低噪声等。对于输入电压 ≤ 6 V 的应用，建议使用 2.2 - MHz 开关频率；输入电压 > 6 V 的应用，可使用 1 - MHz 开关频率以提高效率。对于需要 3.3 - V 输出的时钟和 PLL 电路，使用 2.2 - MHz 开关频率可最小化输出电压纹波和低频噪声。

3. 详细设计步骤

• 定制设计（WEBENCH 工具）：可使用 TI 的 WEBENCH® Power Designer 进行定制设计，只需输入输入电压、输出电压和输出电流等要求，即可优化设计参数，并获得定制的原理图、物料清单以及实时定价和元件可用性信息。
• 外部元件选择
  • 开关频率选择：根据效率和纹波要求选择开关频率，并通过计算占空比和导通时间来确保选择的开关频率满足最小导通时间要求。
  • 输出电容选择：单 L - C 系统设计中，有效输出电容范围为 40 μF 至 200 μF；使用二阶 L - C 滤波器时，第一级 L - C 滤波器的输出电容应在 40 μF 至 80 μF 之间，第二级至少为 20 μF，且两级总电容不超过 200 μF。建议使用陶瓷电容（X5R 或 X7R），并注意其 DC - Bias 效应和 ESR、ESL 值。
  • 铁氧体磁珠选择：选择在满载时具有足够高电感和低直流电阻（低于 10 mΩ）的铁氧体磁珠，推荐在 100 MHz 时阻抗为 8 Ω 至 20 Ω 的磁珠。内部补偿设计可确保在二阶滤波器电感高达 50 nH 时稳定工作。
  • 输入电容选择：建议使用 X5R 或 X7R 陶瓷电容，输入大容量电容可最小化输入电压纹波，同时还需在 VIN 引脚和 PGND 引脚之间放置小电容以减小输入环路寄生电感。
  • 输出电压设置：通过选择合适的电阻 R1 和 R2 来设置输出电压，范围为 0.8 V 至 5.5 V。为提高反馈网络的抗噪声能力，可将 R2 设置为 5 kΩ 或更低。可选的前馈电容（C_FF）可进一步改善输出噪声，但需注意其对电源良好（PG）功能的影响。
  • NR/SS 电容选择：NR/SS 电容影响总噪声和软启动时间，推荐值为 220 nF，最大为 3.3 μF，对应启动时间为 35 ms。可根据所需的软启动时间或所选电容值计算软启动时间。

4. 布局建议

• 输入电容应尽可能靠近模块的 VIN 和 PGND 引脚，避免使用过孔。
• 输出电容的接地端应靠近 PGND 引脚，直接布线，避免过孔。
• 敏感走线（如连接到 NR/SS 和 FB 引脚的走线）应采用短走线，并远离噪声源。
• PSNS 引脚应通过过孔直接连接到系统地平面。
• SW 引脚必须浮空，不得连接到任何外部元件。
• 二阶 L - C 滤波器应靠近负载放置，以减少辐射耦合。
• FB 电阻应靠近 FB 引脚放置，VOUT 连接应作为远程感测走线连接到负载。

五、总结

TPSM8291x 系列降压电源模块以其低噪声、低纹波、灵活的控制和丰富的功能特性，为电子工程师在设计噪声敏感应用时提供了一个优秀的解决方案。通过合理选择外部元件和优化 PCB 布局，可充分发挥该模块的性能优势，满足不同应用的需求。在实际设计过程中，工程师们还需根据具体应用场景进行详细的测试和验证，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用 TPSM8291x 模块进行设计时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。