详解TPSM846C24：高效电源模块的设计与应用

作为一名电子工程师，在电源模块的设计与应用中不断探索高效、可靠的解决方案至关重要。今天，我们就来详细探讨一款高性能的电源模块——TPSM846C24。

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产品概述

TPSM846C24 是一款 35A 的固定频率降压电源模块，它将控制器、功率 MOSFET、电感和相关组件集成到一个坚固的、热增强型表面贴装封装中，具有高度集成的特性。其输入电压范围为 4.5V 至 15V，输出电压范围为 0.5V 至 2V，能满足多种不同的应用需求。它的输出电压精度高达 0.5%，可确保稳定的供电输出。该模块采用 15mm×16mm 的紧凑封装，最大高度仅为 6.4mm，适合对空间要求较高的设计。此外，它的开关频率范围为 300kHz 至 1MHz，还支持与外部时钟同步，能有效减少电磁干扰（EMI）和电磁兼容性（EMC）问题。

特性亮点

集成化与兼容性

• 高度集成：将多个关键组件集成于一体，大大简化了电源设计，减少了外部组件的数量，降低了设计复杂度和成本。
• 引脚兼容：与 TPSM846C23（PMBus）引脚兼容，方便工程师在不同设计中进行替换和升级。

可扩展性与性能

• 电流共享叠加：可通过电流共享功能将两个模块并联，提供高达 70A 的输出电流，满足高功率应用需求。
• 出色的输出表现：输出电压精度高，能提供稳定的电压输出，为负载设备提供可靠的电源支持。其输出电压范围灵活，可通过外部电阻进行调节，满足不同应用的电压要求。

保护与控制功能

• 全面保护机制：具备过流保护、过温保护、输出过压和欠压保护等功能，能有效保护模块和负载设备，提高系统的可靠性和稳定性。
• 多种控制特性：支持差分远程感测，可有效补偿负载线路上的电压降，提高负载调节能力；具备 Power-Good 输出信号，可用于指示输出电压是否在正常范围内，方便系统进行电源管理和故障诊断；预偏置输出单调启动功能可确保在输出预偏置情况下的稳定启动，避免对敏感负载造成损坏；固定 3ms 的软启动/软停时间可减少启动和停止过程中的电流冲击，保护设备和线路。

其他特性

• 工作范围广：工作结温范围为 -40°C 至 +125°C，工作环境温度范围为 -40°C 至 +105°C，能适应不同的恶劣环境。
• 热性能增强：热阻低至 8.7°C/W，散热性能良好，可有效降低模块温度，提高可靠性。
• 电磁兼容性：符合 EN55022 Class A 辐射发射标准，能减少电磁干扰，提高系统的电磁兼容性。

应用领域

工业与通信

• Compact PCI/PCI Express/PXI Express：为这些高速数据传输接口提供稳定的电源，确保数据传输的准确性和可靠性。
• 宽带和通信基础设施：满足通信设备对高效、稳定电源的需求，保障通信系统的正常运行。

测试与医疗

• 自动化测试设备：为测试设备提供精确的电源，保证测试结果的准确性和可靠性。
• 医疗设备：满足医疗设备对电源的高可靠性和稳定性要求，确保医疗设备的安全运行。

芯片供电

• DSP、FPGA 和 ASIC 点负载应用：为这些高性能芯片提供稳定的电源，满足其对电源质量的严格要求。

详细设计与应用

电容配置

• 输入电容：为保证模块正常工作，输入电容网络至少需要四个 22μF（或两个 47μF）陶瓷电容和一个 330μF 大容量电容。陶瓷电容应尽量靠近 VIN 引脚放置，其接地回路必须连接到 TPSM846C24 的 PGND 引脚。这样的配置可以有效减少输入电压的纹波和噪声，提高电源的稳定性。
• 输出电容：输出电容网络至少需要四个 47μF（或两个 100μF）陶瓷电容和两个 470μF 低 ESR 聚合物电容，聚合物电容的总 ESR 不得大于 5mΩ。陶瓷电容应尽量靠近模块的 VOUT 和 PGND 引脚。这种电容配置可以确保良好的瞬态响应和最小的纹波幅度，满足负载设备对电源的动态响应要求。
• 其他电容：模拟电源路径（VINBP）需要一个 10nF 陶瓷电容和一个 1μF 陶瓷电容组成的旁路网络，分别连接到模块的 50 号和 51 号引脚。模块的两个内部电源轨也需要旁路电容，6.5V 轨（BP6）需要一个 4.7μF 陶瓷电容，连接到模块的 48 号和 49 号引脚；3.3V 轨（BP3）需要一个 2.2μF 陶瓷电容，靠近 47 号和 51 号引脚放置。这些电容的合理配置可以为模块内部电路提供稳定的电源，减少电源噪声对模块性能的影响。

补偿网络设置

TPSM846C24 需要在 DIFFO 引脚（6 号）和 FB 引脚（7 号）之间连接一个外部串联电阻和电容补偿网络（RCOMP 和 CCOMP）。这些组件的值由总输出电容和开关频率决定，建议使用陶瓷和低 ESR 聚合物电容，并将其尽量靠近模块放置，远离噪声信号走线。对于不同的输出电容和开关频率，可参考文档中的推荐值进行选择，但最终值应通过标准电源评估技术测试系统稳定性来确定。合理的补偿网络设置可以优化模块的动态响应和稳定性，确保输出电压的准确性和稳定性。

输出电压设置

输出电压调整范围为 0.5V 至 2V，可通过在 FB 引脚和 AGND 之间连接一个电阻 RSET 来实现。通过公式 (R{SET}=frac{5}{(V{OUT}-0.5)}(k Omega)) 可以计算出给定输出电压下的 RSET 值，也可以从文档中的标准 RSET 电阻值表中选择合适的值。准确的输出电压设置可以满足不同负载设备对电源电压的要求，提高系统的兼容性和可靠性。

开关频率与同步

• 频率设置：模块默认开关频率为 500kHz。若要使用默认频率，将 RT_SEL 引脚（14 号）连接到 AGND，RT 引脚（13 号）悬空；若要更改频率，将 RTSEL 引脚悬空，并将一个电阻 RRT 从 RT 引脚连接到 AGND。可使用公式 (R{RT}=frac{18290+(120 × V{IN})}{f{SW}(kHzZ)}(k Omega)) 计算 RRT 电阻值，模块设计工作频率范围为 300kHz 至 1MHz。合理的开关频率设置可以优化模块的效率和性能，根据不同的应用需求选择合适的开关频率。
• 同步功能：模块可以与外部时钟同步，外部时钟频率应在自由运行频率的 ±20% 范围内，且为 50% 占空比的方波。在独立应用或并联配置中作为主设备时，SYNC 引脚配置为 SYNC-IN 引脚，电源转换同步到外部时钟的上升沿；在并联配置中作为从设备时，同步到输入时钟的下降沿。同步功能可以减少模块之间的干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

预偏置输出启动

当存在输出预偏置情况时，TPSM846C24 可防止在启动时从输出端放电。在输出预偏置的情况下，直到内部软启动电压高于误差放大器输入电压（FB 引脚）时才会产生 PH 脉冲。之后，低侧 MOSFET 的导通时间会逐周期缓慢增加，直到产生 128 个脉冲后，同步整流器与高侧 MOSFET 完全互补运行。这种启动方式可以确保输出电压的启动和上升到稳定状态的过程平稳单调。但如果预偏置电压接近或超过 VOUT 设定点电压，上述 128 个开关周期可能会导致输出电压出现非单调下降，但在完成 128 个周期后，输出电压会迅速恢复到设定值。

电源良好（PGOOD）指示

模块内置 PGOOD 信号，用于指示输出电压是否在调节范围内。PGOOD 引脚为开漏输出，需要一个上拉电阻连接到 5.5V 或更低的电压源，推荐上拉电阻值在 10kΩ 至 100kΩ 之间。当输出电压高于设定电压的 95% 时，PGOOD 引脚上升到上拉电压电平；当输出电压低于 88% 或高于 112% 的标称设定电压时，PGOOD 引脚被拉低。PGOOD 信号可连接到其他设备的 EN 引脚，实现额外的受控开机和关机顺序控制。需要注意的是，在输入电压施加之前，如果 PGOOD 引脚存在上拉电压，由于未供电状态下的下拉能力有限，可能会导致 PGOOD 引脚高于逻辑低电压电平。若不希望出现这种情况，可以增加上拉电阻或降低外部上拉电源电压。

线性稳压器 BP3 和 BP6

模块有两个板载线性稳压器 BP3 和 BP6，为内部电路提供合适的电源。为使转换器正常工作，需要在外部对 BP3 和 BP6 引脚进行旁路电容配置，BP3 引脚需要至少 2.2μF 电容连接到 BP_RTN，BP6 引脚需要至少 4.7μF 电容连接到 BP6_RTN。不建议使用内部稳压器为其他电路供电，因为稳压器上的负载可能会对控制器的运行产生不利影响。旁路电容应尽量靠近设备引脚放置，且返回地的环路应最小化，并远离快速开关电压和主电流路径，否则可能会降低稳压器的性能。

并联应用

两个 TPSM846C24 模块可以并联使用，以提供高达 70A 的输出电流。在并联配置中，需要进行多个连接，并且组件选择与独立使用时略有不同。其中一个模块作为主设备，另一个作为从设备。将从设备的 FB 引脚和 BP3 引脚之间连接一个 1kΩ 电阻，同时将两个模块的 SYNC、VSHARE 和 ISHARE 引脚按要求连接。两个模块共享相同的 VSHARE 电压，通过连接 VSHARE 引脚，内部的 COMP 电压在两个模块之间共享；连接 ISHARE 引脚可比较每个相位的感测电流，并将误差电流添加到内部 COMP 中，然后与 PWM 斜坡进行比较以生成 PWM 脉冲，从而实现电流共享，保持模块之间的电流平衡。此外，VSHARE 引脚还用于主从设备之间的故障通信，当任何一个模块遇到故障时，VSHARE 引脚电压被拉低，另一个模块会收到警报并相应停止开关操作。在并联配置中，主从设备的 SYNC 引脚需要提供 50% 占空比的时钟信号，主设备锁定时钟的上升沿，从设备锁定下降沿，以确保模块工作相位相差 180°，最小化纹波。主从模块都需要有一个 RRT 电阻，其值设置的开关频率应在 SYNC 时钟频率的 ±20% 范围内。在噪声较大的系统中，可以在 VSHARE 引脚和地之间添加一个不超过 10pF 的高频电容。如果工作条件导致导通时间脉冲宽度 ≤150ns，主从模块的 PH 引脚可能会出现抖动，在 ISHARE 连接之间串联一个 10kΩ 电阻有助于减少但可能无法消除抖动。

保护功能

• 过温保护：内置温度传感器，当检测到温度超过内部热关机阈值 TSD（典型值为 145°C）时，电源转换停止，直到检测到的结温下降热关机迟滞 THYST（典型值为 25°C）后才会重新启动。
• 过流保护：同时具备低侧过流保护和高侧短路保护。在每个开关周期中，比较低侧 MOSFET 的平均电流与故障阈值，当高侧 MOSFET 的电流超过固定短路阈值时，高侧脉冲会逐周期终止。当在一个开关周期中检测到低侧过流或高侧短路阈值超过时，计数器会递增；若未检测到过流情况，计数器会递减。当计数器达到 3 时，宣布过流故障，输出关闭并在约 21ms 后重新启动。
• 输出过压和欠压保护：通过将 FB 引脚电压与内部预设电压进行比较，实现输出过压和欠压保护。当 FB 引脚电压高于输出过压保护阈值时，设备停止正常开关操作，进入连续重启打嗝模式；当 FB 引脚电压低于输出欠压保护阈值时，强制高侧和低侧 MOSFET 关闭，并在重启前开始打嗝超时延迟。

布局与电源建议

布局准则

• 电容布局：输入旁路电容应尽可能靠近 VIN 和 PGND 引脚放置，VIN 引脚上的高频旁路电容可减少开关尖峰，可放置在 PCB 底部直接位于设备下方以保持最小环路。BP6 旁路电容承载着栅极驱动器的大开关电流，将 BP6 引脚通过低阻抗路径旁路到 BP6_RTN 对模块的稳定运行至关重要，应将 BP6 高频旁路电容尽量靠近 48 号和 49 号引脚。VINBP 和 BP3 引脚也需要良好的局部旁路电容，应尽量靠近设备引脚和 BP_RTN 放置，否则可能会降低设备性能。
• 信号组件布局：信号组件如反馈电阻和 RT 电阻应尽量靠近连接的引脚，远离快速开关电压和电流路径，并以最小的返回环路连接到 AGND。
• 差分对布线：VS+ 和 VS - 线应从负载端的输出电容组以紧密耦合的差分对形式路由回设备引脚，避免靠近开关或噪声区域，以防止引入差模噪声。
• 并行配置布线：在并行配置中，SYNC、VSHARE 和 ISHARE 走线需要特别注意。SYNC 走线承载着轨到轨信号，应远离敏感模拟信号；VSHARE 和 ISHARE 走线也应远离 VIN、PH 和 BP6 引脚形成的快速开关电压或电流。

电源建议

模块设计工作的输入电压范围为 4.5V 至 15V，电源必须稳压良好，不适合采用分裂轨操作。输入电源和内部稳压器的适当旁路对于噪声性能至关重要，同时 PCB 布局和接地方案也会影响模块的性能，具体可参考布局部分的建议。

总结

TPSM846C24 电源模块以其高度集成、高性能、丰富的功能和良好的兼容性，为电子工程师在电源设计中提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理配置电容、设置补偿网络、调整输出电压和开关频率等参数，并遵循布局和电源建议，以充分发挥该模块的优势，确保系统的稳定运行。你在使用类似电源模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。