探索TPSM8D7x20：高效雙路降壓電源模塊的卓越性能

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。TPSM8D7x20作為一款4V至17V輸入、4/6A輸出的雙路降壓電源模塊，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為了眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款電源模塊。

文件下載：tpsm8d7420.pdf

一、特性亮點(diǎn)

1. 緊湊設(shè)計(jì)與高性能集成

TPSM8D7x20采用了6.4mm x 7.0mm x 2.4mm的小尺寸過(guò)模塑BGA封裝，集成了MOSFET、電感器和基本無(wú)源元件，大大減少了電路板空間和布局復(fù)雜度。這種高度集成的設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了寶貴的PCB空間，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 靈活的輸出配置

該模塊具有兩個(gè)獨(dú)立的同步降壓輸出，支持2相堆疊以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。通過(guò)MSEL引腳，用戶可以輕松配置不同的輸出軌配置，如1+1和2+0配置，并根據(jù)需要選擇內(nèi)部或外部補(bǔ)償，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

3. 寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為4V至17V，輸出電壓范圍為0.6V至11V，能夠滿足多種不同的應(yīng)用需求。無(wú)論是FPGA、ASIC和DSP的I/O電壓供電，還是醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備，TPSM8D7x20都能提供穩(wěn)定的電源支持。

4. 可調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率和同步功能

開關(guān)頻率可在400kHz至2.2MHz之間連續(xù)調(diào)節(jié)，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的頻率，以平衡轉(zhuǎn)換效率和設(shè)計(jì)尺寸。此外，模塊還支持與外部時(shí)鐘同步，確保在不同工作條件下都能保持穩(wěn)定的開關(guān)頻率。

5. 全面的保護(hù)功能

具備輸出過(guò)壓（OV）、欠壓（UV）、過(guò)流（OC）和熱關(guān)斷保護(hù)等功能，能夠有效保護(hù)模塊和負(fù)載免受異常情況的損害。同時(shí)，模塊還提供了模擬溫度輸出，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊的溫度。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

TPSM8D7x20的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要包括以下幾個(gè)領(lǐng)域：

1. 測(cè)試與測(cè)量

在測(cè)試和測(cè)量設(shè)備中，對(duì)電源的穩(wěn)定性和精度要求較高。TPSM8D7x20能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓和低紋波，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2. 航空航天

航空航天領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備的可靠性和性能要求極為嚴(yán)格。該模塊的寬輸入電壓范圍、小尺寸和高集成度，使其非常適合航空航天設(shè)備的電源設(shè)計(jì)。

3. 醫(yī)療與健康

醫(yī)療設(shè)備對(duì)電源的安全性和穩(wěn)定性有著極高的要求。TPSM8D7x20的全面保護(hù)功能和高精度輸出，能夠?yàn)獒t(yī)療設(shè)備提供可靠的電源支持。

4. FPGA、ASIC和DSP

在FPGA、ASIC和DSP等高速數(shù)字電路中，需要穩(wěn)定的I/O電壓來(lái)保證電路的正常工作。TPSM8D7x20能夠提供精確的輸出電壓，滿足這些電路的供電需求。

三、詳細(xì)功能解析

1. 輸入電壓范圍與UVLO保護(hù)

VIN引腳的輸入電壓范圍為4V至17V，模塊內(nèi)部集成了UVLO電路，當(dāng)VIN引腳電壓低于內(nèi)部VIN UVLO閾值時(shí)，模塊將被禁用。此外，用戶還可以通過(guò)連接到EN引腳的分壓器來(lái)調(diào)整輸入電壓UVLO閾值，以滿足不同的應(yīng)用需求。

2. 偏置電源調(diào)節(jié)器（VCC）

VCC是內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器的輸出，用于為模塊的控制電路供電。標(biāo)稱VCC電壓為4.4V，模塊內(nèi)部集成了VCC旁路電容，無(wú)需額外的組件，節(jié)省了電路板空間和布局時(shí)間。同時(shí)，VCC具有UVLO保護(hù)功能，防止在內(nèi)部電壓過(guò)低時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作。

3. 設(shè)備配置引腳（MSEL）

MSEL引腳用于設(shè)置設(shè)備的配置和補(bǔ)償。通過(guò)選擇不同的RMSEL電阻值，用戶可以配置不同的輸出軌配置和補(bǔ)償方式。此外，MSEL引腳還可以作為結(jié)溫度監(jiān)測(cè)引腳，在啟動(dòng)后輸出與結(jié)溫度成正比的模擬電壓。

4. 多相輸出配置

TPSM8D7x20支持多相輸出配置，通過(guò)將多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器并聯(lián)并交錯(cuò)相位，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流、降低輸出電壓紋波和輸入電流紋波，提高熱擴(kuò)散性能。在多相輸出配置中，需要將相應(yīng)通道的SS、EN和COMP引腳按照要求連接在一起。

5. 使能和可調(diào)UVLO

通過(guò)向EN1和EN2引腳施加電壓，可以控制模塊的開啟和關(guān)閉。當(dāng)EN引腳電壓低于0.4V時(shí)，模塊進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，靜態(tài)電流降至2μA（典型值）。用戶可以通過(guò)連接EN引腳到VIN實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，也可以使用使能分壓器來(lái)設(shè)置精確的輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值，實(shí)現(xiàn)電源的精確控制。

6. 可調(diào)開關(guān)頻率

可調(diào)開關(guān)頻率通過(guò)將RT引腳連接到AGND的電阻來(lái)設(shè)置。用戶可以根據(jù)需要選擇合適的電阻值，以獲得所需的開關(guān)頻率。在選擇電阻值時(shí)，需要確保其在推薦范圍內(nèi)，否則可能導(dǎo)致設(shè)備停止開關(guān)。

7. 設(shè)備同步（SYNC）

SYNC引腳用于將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘同步。當(dāng)與外部時(shí)鐘同步時(shí)，模塊工作在FPWM模式。通過(guò)將SYNC引腳連接到外部時(shí)鐘信號(hào)，可以確保模塊在不同工作條件下都能保持穩(wěn)定的開關(guān)頻率。

8. 可調(diào)輸出電壓（FB）

TPSM8D7x20的輸出電壓范圍為0.6V至11V，用戶可以通過(guò)兩個(gè)反饋電阻RFBT和RFBB來(lái)設(shè)置輸出電壓。反饋引腳（FB）的參考電壓為0.6V，在整個(gè)結(jié)溫范圍內(nèi)的反饋系統(tǒng)精度為±0.75%。在設(shè)置反饋電阻時(shí)，需要注意電阻的取值范圍和布局，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

9. 控制環(huán)路補(bǔ)償（COMP）

模塊采用峰值電流模式控制，使控制環(huán)路的補(bǔ)償變得簡(jiǎn)單。COMP引腳是GM誤差放大器的輸出，通過(guò)在COMP和AGND之間連接一個(gè)串聯(lián)的RCOMP - CCOMP，可以實(shí)現(xiàn)Type-II補(bǔ)償。在選擇補(bǔ)償組件時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

10. 斜率補(bǔ)償

斜率補(bǔ)償用于在寬占空比范圍內(nèi)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。斜率補(bǔ)償斜坡與通過(guò)RT引腳電阻編程的開關(guān)頻率成正比，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整開關(guān)頻率來(lái)改變斜率補(bǔ)償。

11. 電源良好輸出電壓監(jiān)測(cè)（PG）

PG引腳類似于標(biāo)準(zhǔn)的開漏電源良好功能，用于監(jiān)測(cè)輸出電壓的狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓超出指定范圍時(shí)，PG引腳將拉低，表示出現(xiàn)故障。在使用PG引腳時(shí)，需要連接一個(gè)10kΩ或更大的上拉電阻到VCC或外部電壓源，以確保正確的信號(hào)傳輸。

12. 輸出放電

輸出放電功能始終啟用，當(dāng)模塊不在調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)一個(gè)典型值為19.5Ω的放電電阻將輸出電壓拉低。該功能在熱關(guān)斷、UVLO或EN引腳拉低時(shí)啟用，用于提供電源關(guān)斷排序和保護(hù)負(fù)載。

13. 軟啟動(dòng)（SS）

為了防止在VOUT啟用時(shí)產(chǎn)生浪涌電流，模塊采用了可調(diào)軟啟動(dòng)引腳來(lái)緩慢提升參考電壓。軟啟動(dòng)功能可以限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，實(shí)現(xiàn)VOUT的平滑上升。用戶可以通過(guò)連接一個(gè)電容到AGND來(lái)設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。

14. 過(guò)流保護(hù)（OCP）

模塊采用逐周期電流限制來(lái)保護(hù)電感峰值電流，防止過(guò)流情況的發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)極端過(guò)載時(shí)，模塊將進(jìn)入打嗝模式，在關(guān)閉70ms（典型值）后嘗試重啟。在打嗝模式下，模塊可以降低嚴(yán)重過(guò)流情況下的功耗，防止過(guò)熱和潛在的設(shè)備損壞。

15. 溫度輸出

模塊可以通過(guò)MSEL引腳測(cè)量?jī)?nèi)部結(jié)溫度。在模塊啟用并開始切換后，通過(guò)測(cè)量MSEL引腳的電壓，可以使用特定的公式將其轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。在使用MSEL引腳時(shí)，需要注意不要添加超過(guò)200pF的電容負(fù)載，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

16. 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷是一種集成的自我保護(hù)功能，用于限制結(jié)溫度，防止過(guò)熱損壞。當(dāng)結(jié)溫度超過(guò)167°C（典型值）時(shí)，模塊將關(guān)閉，以防止進(jìn)一步的功耗和溫度上升。當(dāng)結(jié)溫度下降到158°C（典型值）以下時(shí)，模塊將嘗試重啟。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1. 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，TPSM8D7x20只需要幾個(gè)外部組件就可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的輸入和輸出電壓轉(zhuǎn)換。以一個(gè)雙輸出應(yīng)用為例，輸入電壓為12V，輸出電壓分別為2.5V和1.2V，最大輸出電流為6A，開關(guān)頻率為1MHz。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的組件，如輸入電容、輸出電容、反饋電阻等。

2. 設(shè)計(jì)步驟

• 選擇開關(guān)頻率：開關(guān)頻率的選擇需要在轉(zhuǎn)換效率和整體設(shè)計(jì)尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。較低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率，但需要使用較大的輸出電容；較高的開關(guān)頻率可以使用較小的輸出電容，實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，但會(huì)增加開關(guān)損耗。在本設(shè)計(jì)中，選擇1MHz的開關(guān)頻率，RT電阻值為15.4kΩ。
• 設(shè)置輸出電壓：通過(guò)調(diào)整反饋電阻RFBT和RFBB的比值，可以設(shè)置輸出電壓。在選擇反饋電阻時(shí)，需要注意電阻的取值范圍和精度，以確保輸出電壓的準(zhǔn)確性。
• 選擇輸入電容：輸入電容的主要作用是為調(diào)節(jié)器提供低阻抗源，隔離開關(guān)噪聲。在選擇輸入電容時(shí)，需要考慮電容的容量、耐壓值和ESR等參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)VINx/地引腳對(duì)至少需要10μF的陶瓷電容，為了獲得更好的EMI性能，可以使用2x 10μF的陶瓷電容。
• 選擇輸出電容：輸出電容的選擇需要滿足輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)性能的要求。在選擇輸出電容時(shí)，需要考慮電容的容量、ESR和耐壓值等參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算輸出阻抗和輸出電壓紋波來(lái)確定輸出電容的容量。
• 選擇補(bǔ)償方式：TPSM8D7x20提供了內(nèi)部和外部?jī)煞N補(bǔ)償方式。內(nèi)部補(bǔ)償可以節(jié)省電路板空間和降低BOM成本，但靈活性較差；外部補(bǔ)償可以提供更高的配置靈活性，但需要更多的外部組件。在選擇補(bǔ)償方式時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡。

3. 2-PH應(yīng)用設(shè)計(jì)

在2-PH應(yīng)用中，需要將VOUT2、EN2、SS2和COMP2引腳分別連接到VOUT1、EN1、SS1和COMP1引腳。由于CH2是次要通道，用戶可以將PG和FB引腳懸空。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意軟啟動(dòng)電容的設(shè)置和多相控制環(huán)路的補(bǔ)償。

4. 電源供應(yīng)建議

TPSM8D7x20模塊的輸入電壓范圍為4V至17V，輸入電源必須能夠提供所需的輸入電流。在連接模塊到輸入電源時(shí)，需要注意輸入電纜的阻抗和寄生電感，避免對(duì)模塊的性能產(chǎn)生影響。為了減少輸入電壓的波動(dòng)和噪聲，可以在輸入電源和模塊之間并聯(lián)一個(gè)電解電容。

5. PCB布局

PCB布局對(duì)于高電流、快速開關(guān)模塊電路的性能至關(guān)重要。在布局時(shí)，需要遵循以下原則：

• 輸入電容：盡可能靠近VIN引腳放置，使用低ESR的陶瓷電容，接地返回路徑應(yīng)通過(guò)局部頂層平面連接到模塊下方的PGND焊盤。
• 輸出電容：盡可能靠近VOUT引腳放置，采用雙對(duì)稱排列可以降低輸出紋波，接地返回路徑應(yīng)通過(guò)局部頂層平面連接到模塊下方的PGND焊盤。
• 反饋電阻：靠近FB引腳放置，以減少反饋路徑的長(zhǎng)度和噪聲敏感度。
• 接地平面：在模塊下方的PCB層使用實(shí)心接地平面，作為噪聲屏蔽層，減少開關(guān)回路中的磁場(chǎng)干擾。
• 散熱設(shè)計(jì)：提供足夠的PCB面積進(jìn)行散熱，使用足夠的銅面積來(lái)降低熱阻，確保模塊在最高負(fù)載電流和環(huán)境溫度條件下的結(jié)溫不超過(guò)125°C。

五、結(jié)語(yǔ)

TPSM8D7x20作為一款高性能的雙路降壓電源模塊，具有緊湊的設(shè)計(jì)、靈活的輸出配置、寬輸入輸出電壓范圍、可調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率和同步功能以及全面的保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布局，該模塊能夠?yàn)楦鞣N應(yīng)用提供穩(wěn)定、高效的電源支持。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體的需求，充分發(fā)揮TPSM8D7x20的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)秀的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。你在使用類似電源模塊時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。