TPSM8683x：高效同步降压电源模块的深度剖析与应用指南

在电子设计领域，电源模块的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的TPSM8683x系列，这是一款4.5V至28V输入、8A同步降压电源模块，包括TPSM86837和TPSM86838两款产品，它们在工业、医疗、自动化等众多领域都有着广泛的应用前景。

文件下载：tpsm86837.pdf

一、产品特性亮点

宽输入输出范围

TPSM8683x具备4.5V至28V的输入电压范围，输出电压范围为0.6V至5.5V，能够适应多种不同的电源总线应用，如12V、19V和24V电源总线系统。

高输出能力

可提供高达8A的连续输出电流，满足大多数负载的功率需求。

集成化设计

集成了MOSFET、电感和基本无源元件，大大减小了设计尺寸，简化了电路设计过程。

精准控制与快速响应

采用D - CAP3™控制模式，能够实现快速的瞬态响应，同时具有良好的线路和负载调节能力，无需外部补偿。

不同模式选择

TPSM86838采用FCCM模式，在轻载和重载条件下都能保持准固定的开关频率，降低输出纹波；TPSM86837采用Eco - mode，在轻载时能实现高效率，降低功耗。

丰富保护功能

具备非锁存的欠压（UV）、过压（OV）、过流（OC）、过温（OT）和欠压锁定（UVLO）保护功能，同时还有电源良好（PG）指示灯，可实时监测输出电压状态。

可调节与可配置

软启动时间可通过SS电容进行调节，开关频率可选800kHz和1200kHz，还内置了输出放电功能。

封装与温度特性

采用19引脚5.0mm×5.5mm QFN HotRod™封装，工作结温范围为 - 40°C至 + 150°C，适应不同的工作环境。

二、引脚配置与功能详解

引脚分布

TPSM8683x采用19引脚B3QFN RCG封装，各引脚都有着特定的功能。例如，VOUT引脚用于输出电压，连接到内部降压电感和输出负载；MODE引脚用于切换开关频率，可通过连接电阻到AGND来设置；EN引脚为使能输入控制，可控制模块的开启和关闭。

关键引脚功能

• FB引脚：作为反馈输入，通过连接反馈电阻分压器的中点来精确调节输出电压。
• PG引脚：是开漏输出的电源良好监测引脚，当输出电压超出阈值范围时，该引脚会拉低，可用于电源轨排序和故障报告。
• SS引脚：用于设置软启动时间，通过连接外部电容到AGND来实现。

三、规格参数解读

绝对最大额定值

了解绝对最大额定值对于确保器件安全至关重要。例如，输入电压的最大额定值为32V，超出此范围可能会导致器件永久性损坏。在实际设计中，必须严格确保输入电压在规定范围内。

ESD 额定值

该器件的人体模型（HBM）静电放电额定值为±2000V，带电设备模型（CDM）为±500V。在处理和安装过程中，需要采取适当的防静电措施，以防止静电对器件造成损坏。

推荐工作条件

推荐的输入电压范围为4.5V至28V，工作结温范围为 - 40°C至150°C。在这些条件下工作，器件能够发挥最佳性能，同时保证可靠性和稳定性。

热特性

热阻等热特性参数对于评估器件的散热性能非常重要。例如，TPSM8683x的有效结到环境热阻（Eff RθJA）为24°C/W，结到环境热阻（RθJA）为36°C/W。在设计散热方案时，需要根据这些参数来确保器件在正常工作温度范围内。

电气特性

包括静态电流、欠压锁定阈值、使能阈值、反馈电压、电流限制等参数。这些参数直接影响着器件的性能和工作状态。例如，TPSM86838在工作时的静态电流典型值为350µA，而TPSM86837为45µA，这体现了两款产品在不同模式下的功耗差异。

四、详细工作原理与特性分析

自适应导通时间控制与PWM操作

TPSM8683x的主控制回路采用自适应导通时间脉冲宽度调制（PWM）控制器，结合D - CAP3控制模式。该模式将自适应导通时间控制与内部补偿电路相结合，即使输出纹波几乎为零也能保持稳定，无需外部电流检测网络或环路补偿。

模式选择

通过MODE引脚可以配置开关频率，可选择800kHz或1200kHz。在启动时，器件会读取MODE引脚的电压并锁定该设置，直到VIN或EN引脚进行电源循环才会重新设置。

软启动与预偏置软启动

软启动时间可通过连接在SS和AGND之间的电容进行调节。当EN引脚变为高电平时，软启动充电电流开始对电容充电。如果外部电容在启动时有预存储电压，器件会先将其放电再充电，以防止启动时的浪涌电流。如果输出电容在启动时已预偏置，器件会在内部参考电压大于反馈电压时才开始切换和升压。

使能与欠压锁定调节

EN引脚用于控制器件的开启和关闭，当EN引脚电压超过阈值时，器件开始工作；低于阈值时，进入待机状态。EN引脚还可以用于调节VIN的欠压锁定阈值，通过连接外部电阻可以实现更高的UVLO阈值设置。

输出过流限制与欠压保护

采用逐周期的低侧MOSFET谷值电流检测和高侧MOSFET峰值电流检测来实现过流保护。当负载电流超过设定的限制值时，过流保护触发，输出电压可能会下降。当输出电压低于目标电压的65%时，欠压保护动作，器件会在经过一定的去毛刺等待时间后关闭，并在打嗝时间后重新启动。

过压保护

当输出电压高于目标电压的125%时，过压保护触发，输出会在经过32us的去毛刺时间后放电，同时高低侧MOSFET驱动关闭。当过压条件消除后，输出电压恢复正常。

UVLO保护

欠压锁定保护会监测内部调节器电压，当电压低于UVLO阈值时，器件会关闭，该保护为非锁存型。

热关断

内部温度传感器会监测器件的结温，当结温超过165°C（典型值）时，器件进入热关断状态，高低侧功率FET关闭，放电路径打开。当温度下降到低于滞后值（典型值为30°C）时，器件会从软启动开始恢复正常工作。

输出电压放电

TPSM8683x内置了输出电压放电功能，通过一个集成的200Ω (R_{DS(on)}) MOSFET连接到输出端SW。当器件因UV、OV、OT或EN关闭等条件关闭时，放电路径打开。

电源良好指示

PG引脚是一个开漏输出的电源良好指示引脚，可用于多轨启动排序。当FB引脚电压在内部参考电压的90%至110%之间，且经过64µs的去毛刺时间后，PG引脚变为高阻抗状态；当FB引脚电压低于85%或高于115%，或出现热关断、EN关闭、UVLO等情况时，PG引脚会在32µs的去毛刺时间后被拉低。

大占空比操作

该器件能够支持高达98%的占空比操作，通过平滑降低开关频率来实现大占空比，同时改善负载瞬态性能。

五、应用与设计要点

典型应用电路

以一个将4.5V至28V输入转换为1.8V输出、最大输出电流为8A的典型应用为例，详细介绍了电路设计过程。

设计参数选择

• 输出电压电阻选择：通过电阻分压器来设置输出电压，建议使用1%公差或更好的电阻。可根据公式 (V_{OUT }=0.6 × left( 1+frac {R7}{R8}right)) 进行计算。
• 输出滤波器选择：输出滤波器采用LC滤波器，其双极点频率为 (f{p}=frac{1}{2 pi × sqrt{L{OUT} × C{OUT }}})。需要选择合适的电感和电容，使双极点位于高频零点以下，以确保电路具有足够的相位裕度。同时，可使用公式 (I{CO(RMS)}=frac{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}{sqrt{12} × V{IN } × L_{OUT } × Fsw }) 来确定输出电容所需的RMS电流额定值。
• 输入电容选择：TPSM8683x需要输入去耦电容，根据应用情况可能还需要一个大容量电容。建议至少使用两个10µF的陶瓷电容作为去耦电容，电容的电压额定值必须大于最大输入电压。可使用公式 (Delta V{IN}=frac{I{OUTMAX } × 0.25}{C{IN} × Fsw}) 计算输入电压纹波，使用公式 (I{CIN(RMS)}=I{OUT } × sqrt{frac{V{OUT }}{V{IN (MIN)}} × frac{V{IN (MIN)}-V{OUT }}{V{IN (MIN)}}}) 计算输入纹波电流。

  电源建议

  输入电源电压应在4.5V至28V范围内，且输入电压必须高于输出电压。如果输入电源距离电路较远，建议增加额外的输入大容量电容。同时，需要考虑热设计，根据效率和EVM有效热阻来计算功率损耗和温度上升，确保器件在合适的环境温度下工作。

  布局要点

• PCB层数与铜厚：建议使用四层PCB，铜厚为两盎司，以提高热性能，并使用最大的接地平面。
• 电容放置：输入和输出电容应尽可能靠近相应的引脚，采用对称布局以减少电磁干扰（EMI）。
• 反馈路径：FB引脚的反馈电阻应靠近FB引脚，以减少输出电压反馈路径的噪声敏感性。
• 散热设计：提供足够的PCB面积用于散热，使用散热过孔将封装的暴露焊盘（PGND）连接到PCB接地平面。

六、总结与思考

TPSM8683x系列电源模块凭借其宽输入输出范围、高集成度、丰富的保护功能和可调节特性，为电子工程师提供了一个高效、可靠的电源解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计要求，合理选择器件的工作模式、配置引脚参数，并注意PCB布局和散热设计等方面。同时，我们也可以思考如何进一步优化电路设计，提高系统的整体性能和稳定性。比如，在不同的负载条件下，如何更好地平衡开关频率和效率；在复杂的电磁环境中，如何进一步降低EMI干扰等。这些都是我们在实际设计中需要不断探索和解决的问题。

希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地了解和应用TPSM8683x系列电源模块，在实际项目中发挥其最大的优势。