TPS82740A/B：低功耗应用的高效降压转换器模块

引言

在当今电子设备追求低功耗、小型化的趋势下，一款优秀的降压转换器模块对于实现高效电源管理至关重要。TPS82740A 和 TPS82740B 作为德州仪器（TI）推出的产品，以其超低静态电流、高转换效率和丰富的功能特性，成为了众多低功耗应用的理想选择。本文将详细介绍这两款降压转换器模块的特点、应用场景以及设计要点。

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一、产品特性

1. 超低静态电流

TPS82740 系列典型静态电流仅为 360nA，这使得它在轻负载或待机状态下能够显著降低功耗，延长电池续航时间。对于那些依赖电池供电且对功耗极为敏感的应用来说，这一特性无疑是一大优势。

2. 高转换效率

在输出电流低至 10µA 时，效率仍可高达 90%。这意味着在整个负载范围内，该模块都能保持较高的转换效率，减少能量损耗，提高电源利用率。

3. 输出电压可选

通过三个电压选择引脚（VSEL1、VSEL2、VSEL3），用户可以以 100mV 的步长灵活选择输出电压。TPS82740A 的输出电压范围为 1.8V 至 2.5V，TPS82740B 则为 2.6V 至 3.3V，满足了不同应用对输出电压的需求。

4. 集成负载开关

模块集成了具有压摆率控制的负载开关，最大输出电流可达 200mA。这使得用户可以方便地控制外部负载的通断，同时避免了额外的负载开关元件，简化了电路设计。

5. 宽输入电压范围

输入电压范围 (V_{IN}) 为 2.2V 至 5.5V，支持多种电源供电，如可充电锂离子电池、锂原电池以及 USB 端口等。这增加了模块的通用性和适用性。

6. RF 友好的 DCS - Control™ 拓扑

DCS - Control™ 拓扑结合了滞环控制和电压模式控制的优点，具有出色的交流负载调节和瞬态响应能力，低输出纹波电压，并且能够在 PFM（脉冲频率调制）和 PWM（脉冲宽度调制）模式之间无缝切换。这使得该模块在射频应用中表现出色，减少了对射频电路的干扰。

7. 低输出电压纹波和自动 100% 模式

模块具有低输出电压纹波特性，当电池电压接近输出电压时，会自动进入无纹波的 100% 模式，此时输出直接连接到输入电压，进一步降低了纹波。同时，VOUT 和 LOAD 引脚还具备放电功能，确保系统的安全性和稳定性。

8. 小型化封装

采用 2.3mm × 2.9mm 的 MicroSIP™ 封装，总解决方案尺寸小于 (6.7mm^{2})，高度低于 1.1mm，非常适合对空间要求苛刻的应用。

二、应用场景

1. 无线通信

适用于蓝牙低功耗（Bluetooth® Low Energy）、RF4CE 和 Zigbee 等无线通信协议的设备。这些设备通常需要在低功耗状态下长时间运行，TPS82740 系列的超低静态电流和高转换效率能够满足其对电源的严格要求。

2. 可穿戴电子设备

可穿戴设备对尺寸和功耗有着极高的要求。TPS82740 的小型化封装和低功耗特性使其成为可穿戴电子设备如智能手表、健身追踪器等的理想电源解决方案。

3. 能量收集系统

在能量收集应用中，如太阳能、热能等能量收集系统，由于能量来源不稳定且输出功率较低，TPS82740 能够在轻负载下保持高效运行，有效收集和管理能量。

三、详细描述

1. 功能框图

TPS82740 的功能框图展示了其内部结构，包括超低功耗参考、软启动、欠压锁定（UVLO）、自动 100% 模式、功率级、电流限制比较器等模块。这些模块协同工作，确保了模块的稳定运行和高效性能。

2. 特性描述

DCS - Control™ 拓扑

DCS - Control™ 拓扑通过一个交流环路直接感应输出电压，并将信息反馈给快速比较器，从而设置开关频率。在中高负载条件下，模块工作在 PWM 模式，开关频率最高可达 1.7MHz；在轻负载时，无缝进入功率节省模式，开关频率随负载电流近乎线性变化，以保持高效率。

负载开关

LOAD 引脚由 CTRL 引脚控制，通过内部负载开关连接到 VOUT 引脚。当 CTRL 为高电平时，负载开关导通，允许连接其他系统组件到 DC/DC 转换器的输出；当 CTRL 为低电平时，负载开关断开，LOAD 引脚被拉至地。该负载开关具有软开关特性，可减少开关噪声。

输出电压选择

通过 VSEL1、VSEL2、VSEL3 引脚，用户可以根据需要选择输出电压。输出电压可以在运行过程中动态调整，实现简单的动态电压缩放。

输出放电功能

VOUT 和 LOAD 引脚都具备放电电路，当模块禁用时，可将引脚连接到地，防止残留电荷影响系统的正常启动。

内部电流限制

模块在高端和低端 MOSFET 中集成了电流限制功能，通过逐周期监测开关电流，保护模块免受过载或短路的影响。

3. 设备功能模式

启用 / 关闭

当 EN 引脚设置为高电平时，模块激活；设置为低电平时，进入关闭模式，电流消耗小于 70nA。

软启动

设备启用后，经过启动延迟时间 (t_{Startupdelay}) 进入软启动阶段。在软启动期间，模块以降低的电流限制 (I{LIMsoftstart}) 运行，持续时间为 (t{Softstart})，之后电流限制增加到标称值。

电源良好输出（PG）

电源良好比较器具有开漏输出，可用于指示系统输出电压是否稳定。当 (V{OUT}) 超过阈值 (V{THPG+}) 时，输出被驱动为高阻抗；当 (V{OUT}) 低于 PG 迟滞 (V_{PGhys}) 或输入电压 (V{IN}) 低于欠压锁定阈值 (V_{TH_UVLO}) 时，输出被拉至低电平。

自动 100% 模式

当输入电压接近输出电压时，模块停止开关，进入 100% 占空比运行模式，将输出 VOUT 通过电感和内部高端 MOSFET 开关连接到输入 VIN，消除输出电压纹波。当输入电压增加并超过 100% 模式退出阈值 (V_{TH_100+}) 时，模块重新开始开关。

四、应用与实现

1. 应用信息

该模块设计用于输入电压范围为 2.2V 至 5.5V、最大输出电流为 200mA 的应用。在中高负载条件下，模块工作在 PWM 模式；在轻负载时，进入功率节省模式，通过线性变化开关频率保持高效率。

2. 典型应用

在基于 SOC 的系统中，TPS82740 可用于为 LCD 显示屏、ADC、控制子系统、射频模块、传感器等提供电源。

3. 设计要求

TPS82740 是一个完整的降压转换器模块，包含了所有必要的无源组件（电感、输入和输出电容）。对于大多数应用，无需额外的输入 / 输出电容。但在某些情况下，为了进一步提高性能，可能需要选择额外的外部组件。

4. 详细设计步骤

输入电容选择

对于大多数应用，VIN 引脚的集成陶瓷输入电容已经足够。但当陶瓷电容与电源引线的电感结合时，输出负载阶跃可能会在 VIN 引脚引起振铃。此时，应在模块输入和电源引线之间添加额外的陶瓷“大容量”电容（如电解或钽电容），以减少振铃。此外，建议添加一个较大的缓冲电容 (C_{Buf})，以减少电压降和纹波电压，特别是在使用某些电池类型时。

输出电容选择

对于大多数应用，VOUT 引脚的集成输出电容已经足够。为了进一步降低输出电压纹波和改善负载瞬态性能，可以使用额外的外部输出电容，但总有效电容不应超过 10µF，以保证环路稳定性。推荐使用低 ESR 值的陶瓷电容。

五、电源供应建议

TPS82740 是一个完整且优化的电源供应模块，在给定的规格范围内无需额外组件。用户应根据应用信息部分的说明，正确连接输入和输出电路。

六、布局设计

1. 布局指南

在设计 uSiP LGA 焊球的焊盘尺寸时，建议使用非阻焊定义（NSMD）焊盘。这种方法可以使阻焊开口大于所需的焊盘面积，开口尺寸由铜焊盘宽度定义。

2. 布局示例

文档提供了 PCB 布局的建议，包括焊盘定义、铜厚度、阻焊开口、钢网开口和钢网厚度等参数。同时，还给出了推荐的焊盘图案图像和尺寸。

七、设备与文档支持

1. 文档支持

提供了相关链接，包括技术文档、支持和社区资源、工具和软件以及样品购买等方面的快速访问。

2. 商标信息

DCS - Control、MicroSIP、MicroSiP 是德州仪器的商标，蓝牙是 Bluetooth SIG, Inc. 的注册商标。

3. 静电放电注意事项

这些设备内置的 ESD 保护有限，在存储或处理时，应将引脚短路或放置在导电泡沫中，以防止 MOS 栅极受到静电损坏。

4. 术语表

提供了相关术语的解释，方便用户理解文档中的专业术语。

八、总结

TPS82740A 和 TPS82740B 降压转换器模块以其超低静态电流、高转换效率、丰富的功能特性和小型化封装，为低功耗应用提供了一个优秀的电源解决方案。在实际设计中，电子工程师应根据具体应用需求，合理选择输入和输出电容，优化布局设计，以充分发挥该模块的性能优势。同时，要注意静电放电保护等问题，确保设备的可靠性和稳定性。你在使用 TPS82740 系列模块时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。