TPS65912x PMU：强大的电源管理解决方案

在电子设备的设计中，电源管理模块起着至关重要的作用，它直接影响着设备的性能、稳定性和功耗。今天我们要介绍的是德州仪器（Texas Instruments）的TPS65912x系列电源管理单元（PMU），这是一款专为满足多种应用需求而设计的高性能产品。

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一、设备概述

TPS65912x采用3.6mm × 3.6mm、0.4mm间距的DSBGA封装，拥有81个引脚。它适用于多种应用场景，包括数据卡、智能手机、无线路由器和交换机、平板电脑、工业应用、LTE调制解调器以及GPS等设备。这款PMU提供了四个可配置的降压转换器和十个外部低压差线性稳压器（LDO），还具备两个I2C接口通道或一个SPI接口通道、5个通用输入输出引脚（GPIOs）、32kHz RC振荡器以及可编程电源序列器和控制器，能够支持不同的处理器和应用。

1.1 主要特性

• 降压转换器：四个降压转换器的输入电压范围为2.7V至5.5V，具备轻负载时的节能模式，PWM模式下输出电压精度可达±2%，每个转换器典型静态电流为26μA，支持动态电压缩放，可实现100%占空比以实现最低压降。
• LDO稳压器：包含8个通用LDO和2个低噪声RF - LDO。通用LDO输出电压范围为0.8V至3.3V，RF - LDO输出电压范围为1.6V至3.3V，静态电流为32μA，支持预调节电源输入和ECO模式。
• LED输出：三个LED输出支持通过I2C进行内部调光，可与GPIOs复用，每个电流吸收器最大可达20mA。
• 其他特性：具备热监测功能，包括高温警告和热关断；有旁路开关，可用于为RF - PA供电；支持I2C、Power I2C和SPI接口；集成32kHz RC振荡器；具备欠压锁定和电池故障比较器；支持长按检测；电源启动和关闭序列可灵活配置。

1.2 应用领域

该产品的应用非常广泛，涵盖了消费电子、工业控制、通信等多个领域。在智能手机和平板电脑中，它可以为处理器、内存、I/O等提供稳定的电源；在无线路由器和交换机中，能确保设备的稳定运行；在工业应用和LTE调制解调器中，也能满足其对电源管理的严格要求。

二、详细功能剖析

2.1 线性稳压器（LDO）

• 低静态电流模式（Eco - mode™）：每个LDO都配备了低静态电流模式，可单独启用或禁用。当ECO位为1时，LDOx的Eco - mode™控制方案启用，有助于降低功耗。
• 输出放电：每个LDO都有输出放电位，当该位设置为1时，LDO的输出将通过一个等效300Ω的电阻放电到地。若LDO处于启用状态，则放电位将被忽略。
• 热关断：所有降压转换器和LDO都有全局热关断保护。热传感器会根据寄存器THRM_REG的设置生成早期警告，当温度超过热关断阈值时，整个设备将断电至OFF状态。
• LDO使能：LDO的启用/禁用是灵活的电源启动和关闭状态机的一部分。每个LDO可以被编程为在电源开启条件发生后的15个时间槽之一自动上电，也可以由专用引脚控制。
• LDO电压范围：标准LDO的输出电压范围为0.8V至3.3V，RF - LDO（LDO4和LDO5）的输出电压范围为1.6V至3.3V。
• LDO电源良好比较器：每个LDO的输出电压由内部电源良好比较器监控，其输出会设置和清除寄存器PGOOD和PGOOD2中的PGOOD位。若LDO启用但输入电压低于1V，则电源良好位无效。

2.2 降压转换器

• PWM/PFM模式：在强制PWM模式下，设备避免脉冲跳过，便于外部滤波组件过滤开关噪声。若未设置DCDCx_MODE = 1位，当负载较轻且DCDCx输入和输出轨之间有足够裕量时，DCDC输出将切换到低电流PFM模式。
• 低静态电流模式：每个降压转换器可单独控制进入低静态电流模式。当ECO位为1时进入该模式，此时静态电流降低，输出电压由比较器监控，大部分控制功能禁用以节省功耗。但在负载瞬变前应禁用ECO模式，以确保转换器能及时响应过量电流需求。
• 输出电压监控：内部电源良好比较器监控开关稳压器的输出，当输出电压低于编程值的90%时进行检测。该信息由电源管理核心根据特定I2C寄存器设置生成中断。
• 输出放电：每个开关稳压器都有输出放电使能位，设置为1时，稳压器的输出将通过一个等效400Ω的电阻放电到地。若稳压器的使能位已设置，则放电位将被忽略。
• 热关断：与LDO一样，降压转换器也有全局热关断保护。
• 降压转换器使能：降压转换器的启用/禁用是灵活的电源启动和关闭状态机的一部分，可通过编程使其在电源开启条件发生后的15个时间槽之一自动上电，或由专用引脚控制。
• 降压转换器软启动：TPS65912x中的降压转换器有内部软启动电路，控制输出电压从5%上升到95%的额定值，可限制启动时的浪涌电流，防止使用电池或高阻抗电源时出现输入电压下降。

2.3 GPIOs

TPS65912x有5个GPIOs。GPIO1和GPIO2与SPI接口共享，若使用SPI则不可用。GPIO3、GPIO4和GPIO5用于通用用途，可与LED驱动器共享。GPIO1和GPIO2的输入和输出级与GPIO3类似，但不包含LED电流吸收器。若输出级编程为推挽式，则其高电平由VDDIO设置的电压决定。当VDDIO低于欠压锁定阈值时，推挽输出级的高端驱动器禁用，输出默认为开漏。

2.4 电源状态机

嵌入式电源控制器（EPC）管理设备的状态并控制电源启动序列，支持以下状态：

• NO SUPPLY：主电池电源电压不足以给LDOAO（始终开启的LDO）稳压器供电，此时设备全局复位，所有功能关闭。
• CONFIG：可从NO SUPPLY状态自动进入，或在TPS65912x通过DEVCTRL寄存器的Bit LOAD - OTP配置后从ACTIVE或SLEEP状态进入。进入此状态时，所有寄存器设置为默认值，nRESPWRON信号置位。
• OFF：LDOAO开启，内部逻辑活跃，所有电源处于关闭状态，设备可检测并执行电源启动序列，nRESPWRON信号置位。
• ACTIVE：设备电源开启条件满足，稳压电源开启或可通过全电流能力启用，复位释放，接口活跃。
• SLEEP：设备睡眠启用条件满足，选定的稳压电源处于低功耗/关闭模式。

2.5 接口

• SPI接口：使用4个信号，包括片选SPI_CE、总线主时钟SPI_CLK、输入端口SPI_MOSI和输出端口SPI_MISO。读/写位后跟随8位寄存器地址，然后是7位未使用位和数据位。当TPS65912x未被选中（CE = LOW）时，MISO输出设置为高阻抗，允许多个从设备在SPI总线上。
• I2C接口：是由NXP开发的2线串行接口，由数据线SDA和时钟线SCL组成。TPS65912x作为从设备，支持标准模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和高速模式（写操作最高3.4Mbps）。有两个I2C接口，一个用于通用用途，另一个专门用于降压转换器的电压缩放。

三、应用与设计考虑

3.1 典型应用

以一个典型的5V USB主机连接应用为例，TPS65912x的设计参数如下：	DESIGN PARAMETER	VALUE
Supply voltage	2.7 V to 5.5 V
Switching frequency	Up to 3.5 MHz
DCDC1 voltage	1.1 V
DCDC1 current	Up to 2.5 A
DCDC2 voltage	2.0 V
DCDC2 current	Up to 0.75 A
DCDC3 voltage	3.2 V
DCDC3 current	Up to 1.6 A
DCDC4 voltage	3.6 V
DCDC4 current	Up to 2.5 A
LDO1 voltage	850 mV or 900 mV
LDO1 current	Up to 100 mA
LDO2 voltage	850 mV or 900 mV
LDO2 current	Up to 100 mA
LDO3 voltage	1.2 V
LDO3 current	Up to 100 mA
LDO4 voltage	1.7 V or 1.8 V
LDO4 current	Up to 250 mA
LDO5 voltage	2.7 V
LDO5 current	Up to 250 mA
LDO6 voltage	1.8 V or 3.0 V
LDO6 current	Up to 100 mA
LDO7 voltage	3.0 V
LDO7 current	Up to 200 mA
LDO8 voltage	3.1 V
LDO8 current	Up to 100 mA
LDO9 voltage	3.0 V
LDO9 current	Up to 300 mA
LDO10 voltage	1.8 V
LDO10 current	Up to 300 mA

3.2 设计要点

• 输出滤波器设计
  • 电感选择：降压转换器设计为使用小的外部组件，如1μH输出电感。所选电感的直流电阻和饱和电流必须满足要求，直流电阻会直接影响转换器的效率，因此应选择直流电阻最低的电感以获得最高效率。
  • 输出电容选择：DC - DC转换器的控制方案允许使用小的陶瓷电容，其低ESR值可降低输出电压纹波。在计算RMS纹波电流和输出电压纹波时，可参考相关公式。
  • 输入电容选择：由于降压转换器的输入电流是脉动的，需要低ESR的输入电容进行输入电压滤波，减少高输入电压尖峰对其他电路的干扰。输入电容可选用10μF的陶瓷电容，且可根据需要增加电容值以获得更好的滤波效果。
• 布局设计：对于所有开关电源，布局是设计中的重要步骤。为了获得指定的性能，必须仔细进行PCB布局。要提供低阻抗的接地路径，使用宽而短的走线作为主要电流路径，输入电容应尽可能靠近IC引脚，电感和输出电容也应如此。同时，要注意避免接地噪声，VDCDCx走线应直接连接到输出电容，并远离噪声组件和走线。

四、总结

TPS65912x PMU凭借其丰富的功能、灵活的配置和高性能的表现，为各种电子设备的电源管理提供了优秀的解决方案。无论是在消费电子领域还是工业应用中，它都能满足不同的电源需求，帮助工程师设计出更加稳定、高效的产品。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计要求，合理选择外部组件，精心进行布局设计，以充分发挥TPS65912x的优势。希望通过本文的介绍，能让大家对TPS65912x有更深入的了解，在设计中更好地运用这款产品。

你在使用TPS65912x的过程中遇到过哪些问题？或者对电源管理设计有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流！