TPSM82843x系列降压转换器：低功耗设计的理想之选

一、引言

在电子设计领域，对于电源管理芯片的需求日益多样化，尤其是在对功耗敏感、尺寸要求严格的应用场景中，一款性能卓越的降压转换器至关重要。德州仪器（TI）推出的TPSM82843x系列降压转换器，以其超低静态电流、高集成度和出色的效率，成为众多应用的理想选择。本文将深入探讨该系列转换器的特性、应用以及设计要点。

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二、TPSM82843x系列概述

TPSM82843x系列是一组高效率的降压转换器，其输入电压范围为1.8V至5.5V，输出电压范围可在0.4V至3.6V之间灵活调整。该系列在设计上集成了电感，采用QFN封装，显著减少了外部元件数量，降低了物料清单成本，同时也提高了使用的便捷性。

2.1 主要特性

1. 超低静态电流：典型静态电流仅275nA，关机电流低至4nA，这使得它在电池供电的应用中能够大幅延长电池使用寿命。
2. 高精度输出电压：通过集成输出分压电阻实现零反馈误差，并且能够通过VSET引脚连接单个电阻实现1%精度的电压选择。不同型号的输出电压范围有所不同，例如TPSM828436为0.4V至0.8V，TPSM828437为0.8V至1.8V，TPSM828438为1.8V至3.6V。
3. 成本和尺寸优化：支持低至4.7μF的输入和输出电容，可使用0402和0201等小型电容器，有效减小了PCB面积。
4. 低输出电压纹波：采用RF友好且快速瞬态的DCS-Control（直接控制与无缝过渡到PFM模式）拓扑，在节能模式下能够实现低输出电压纹波，并且可自动过渡到无纹波的100%模式。
5. 小尺寸封装：采用2.45mm × 2.70mm × 1.29mm的小尺寸QFN封装，适合对空间要求苛刻的应用。

2.2 应用领域

• 无线应用：如蓝牙低功耗（BLE）遥控器、无线传感器、信标以及物联网Wi-Fi电池驱动节点等，超低的静态电流和高转换效率能够满足其长时间续航的需求。
• 工业应用：智能电表、热量表、遥测以及数据记录器、预测性维护设备等，其高精度的输出电压和稳定的性能可确保工业设备的可靠运行。
• 其他应用：可编程逻辑控制器（PLC）负载点、可穿戴电子设备、耳机、助听器等。

三、器件详细分析

3.1 器件比较

TPSM82843系列包含多个型号，不同型号在固定输出电压、可选输出电压范围、开关频率和软启动时间等方面存在差异，具体如下表所示：	Device	Fixed V OUT VSET = GND	Selectable Output Voltages	f SW [MHz]	Soft Start t SS
TPSM828436VCFR	1.0V	0.4V – 0.8V in 25mV steps	1.5	0.45ms
TPSM828437VCFR	1.8V	0.8V – 1.6V in 50mV steps	1.5	1ms
TPSM828438VCFR	3.6V	1.8V – 3.4V in 100mV steps	1.5	0.7ms

3.2 引脚配置与功能

TPSM82843采用7引脚QFN - FCMOD封装，各引脚功能如下：	PIN	NO.	TYPE (1)	DESCRIPTION
GND	1	PWR	接地引脚，应靠近输入和输出电容的接地端连接。
VIN	2	PWR	输入电源引脚，需靠近此引脚连接输入电容以抑制噪声和电压尖峰，必须使用陶瓷电容。
VOUT	6	PWR	模块的输出电压引脚，连接到输出电容。
VSET	3	I	通过连接一个电阻到地来选择预定义的输出电压。
VOS	7	I	内部反馈分压网络和调节环路的输出电压检测引脚，当转换器禁用时，该引脚通过内部MOSFET使输出电压放电，应直接用短走线连接到输出电容。
SW	5	O	转换器的开关引脚，连接到内部功率MOSFET和电感，应避免连接到较大的走线以减少EMI，可保持未连接或焊接到小焊盘以改善散热。
EN	4	I	高电平使能器件，低电平关闭器件，该引脚具有内部下拉电阻，器件启动后该电阻将被禁用。

3.3 关键特性详细解析

1. 智能使能与关机（EN）：内部500kΩ电阻将EN引脚拉至地，防止引脚浮空，避免在无法安全将EN引脚驱动为低电平时设备不受控制地启动。EN为低电平时，设备进入关机模式；EN为高电平时，设备开启，内部控制逻辑和参考电源上电后，下拉控制电路断开EN引脚上的下拉电阻。当EN再次变为低电平时，设备进入关机模式，下拉电阻重新激活。
2. 软启动：当EN引脚置为高电平使能设备后，在启动延迟时间(t_{Startupdelay})内，设备初始化并为内部电路上电。(t{Startupdelay})结束后，内部软启动电路在软启动时间(t{ss})内将输出电压斜坡上升。启动延迟时间会根据所选的VSET值而变化，(VSET = 0)时启动延迟最短，其他值时启动延迟较长。
3. VSET引脚：输出电压选择：通过在VSET引脚和地之间连接一个外部电阻来设置输出电压。设备使能后，在启动延迟时间内进行R2D（电阻到数字）转换，检测外部电阻(R_{SET})。内部电流源通过外部电阻施加电流，内部ADC读取产生的电压电平，根据该电平选择内部反馈分压网络以设置正确的输出电压。转换完成后，电流源关闭以避免电流流过外部电阻。需要注意的是，在R2D转换期间，要确保没有额外的电流路径或总电容大于30pF接地，否则会导致错误的输出电压设置。
4. 欠压锁定（UVLO）：为防止设备在低输入电压下误操作，UVLO比较器监测电源电压。当输入电压下降到1.7V（最大）时，设备关闭；当输入电压上升到1.8V（最大）时，设备启动。设备从欠压锁定状态恢复运行后，其行为如同被重新使能，内部控制逻辑上电并读取VSET引脚上的外部电阻。
5. 开关电流限制与短路保护：该转换器在高端和低端MOSFET上集成了电流限制功能，以保护设备免受过载或短路情况的影响。逐周期监测开关中的电流，当高端MOSFET电流达到限制值时，高端MOSFET关断，低端MOSFET导通以降低电感电流；当通过低端开关的电感电流下降到低于低端MOSFET电流限制值时，低端MOSFET关断，高端MOSFET再次导通。
6. 热关断：内部温度传感器监测器件的结温(T{J})，当(T{J})超过典型值160°C的热关断温度(T{SD})时，设备进入热关断状态，高端和低端功率FET均关断。当(T{J})下降到低于典型值20°C的滞后量时，转换器恢复运行，从软启动开始恢复到最初设置的(V{OUT})，此时不会对(R{SET})进行R2D转换。热关断在节能模式下不活跃。
7. 输出电压放电：当设备禁用时，输出放电功能确保输出电压按预定方式下降，并将输出电压保持接近0V。内部放电电阻连接到VOS引脚，设备禁用后放电功能立即启用，保持放电功能活跃所需的最小电源电压为(V_{IN}>VTH_UVLO -) 。

3.4 器件功能模式

1. 节能模式操作：DCS-Control拓扑支持节能模式操作。在轻载情况下，设备以PFM（脉冲频率调制）模式运行，产生单个开关脉冲来提升电感电流并对输出电容充电，随后进入睡眠周期，在此期间大多数内部电路关闭以实现最低的静态电流。睡眠周期的持续时间取决于负载电流和电感峰值电流，在睡眠期间，电流消耗降至典型的275nA。在中高负载条件下，设备自动进入PWM（脉冲宽度调制）模式，以标称开关频率(f_{sw})（典型为1.5MHz）在连续导通模式下运行。PWM和PFM模式之间的边界是电感电流变得不连续的时候，由于DCS-Control支持在一个单一模块内实现两种运行模式，从PWM到PFM模式的过渡无缝且输出电压纹波最小。
2. 100%模式操作：在PWM模式下运行的降压转换器的占空比为(D = V{OUT}/V{IN})，当输入电压接近输出电压时，占空比增加。在100%占空比模式下，设备保持高端开关持续导通，只要输出电压低于内部设定点，高端开关就会一直保持导通，从而实现小输入到输出电压差的转换。

四、应用与设计要点

4.1 典型应用电路

TPSM82843的典型应用电路设计简洁，仅需少量外部元件。其输出电容值可在4μF（有效）至25μF（有效）之间选择，输出电容会影响应用曲线，特别是轻载效率和负载阶跃响应。较小的输出电容会导致较高的开关频率和较低的轻载效率，但有助于使开关频率避开音频频段，不过在负载瞬变时电压变化较大；而较大的电容可以减小负载瞬变时的电压变化。

4.2 设计要求与详细步骤

典型应用电路所需的外部元件包括一个4.7μF的陶瓷输入电容（如Murata的GRM155R60J475ME47D，0402封装）、一个10μF的陶瓷输出电容（如Murata的GRM155R60J106ME15D，0402封装）以及一个用于设置输出电压的外部电阻(R_{SET}) 。设计时应按照典型应用电路进行无源元件的选择，确保电路的稳定性和性能。

4.3 应用曲线

文档中提供了不同输入电压、输出电压和温度条件下的效率曲线、输出电压与输出电流曲线、开关频率与输出电流曲线以及负载瞬变、线路瞬变和启动延迟时间等测试曲线，这些曲线有助于工程师在实际应用中更好地了解和优化电路性能。

4.4 电源供应建议

电源必须根据TPSM82843的输入电压、输出电压和输出电流提供足够的电流额定值，以确保设备正常工作。

4.5 PCB布局要点

• 布局准则：TPSM82843的引脚布局设计便于在PCB顶层进行IC和关键无源元件（如CIN、COUT和VSET电阻）的布线，同时支持使用0201（0603公制）尺寸的电容和电阻。在PCB布局时，要确保提供低电感、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的VIN和GND引脚放置，输出电容应无过孔地尽可能靠近VOUT和GND引脚放置。VOS线是敏感的高阻抗输入，应直接用走线从输出电容焊盘连接到器件引脚，并远离嘈杂的元件和走线（如SW线）或其他噪声源。
• 布局示例：参考文档中的布局示例，可帮助工程师更好地进行实际设计，确保电路性能达到最佳。

五、总结

TPSM82843x系列降压转换器以其超低静态电流、高集成度、宽输入输出电压范围、出色的效率和多种保护功能，为电子工程师在设计低功耗、小尺寸的电源管理解决方案时提供了一个优秀的选择。无论是在无线应用、工业设备还是可穿戴电子等领域，它都能够满足不同的设计需求。然而，在实际应用中，工程师仍需根据具体的应用场景和要求，合理选择器件型号、进行外部元件的选型和PCB布局设计，以充分发挥该系列转换器的性能优势。

你在使用TPSM82843x系列降压转换器的过程中遇到过哪些问题呢？或者你对其在特定应用中的性能表现有什么独特的见解吗？欢迎在评论区分享交流。