TPSM83100和TPSM83101：高效集成的Buck - Boost电源模块

引言

在电子设备的设计中，电源模块的性能和尺寸往往是工程师们关注的重点。今天我们要介绍的TPSM83100和TPSM83101就是两款非常出色的Buck - Boost电源模块，它们在小尺寸和高效率方面表现卓越，能为众多应用场景提供稳定的电源解决方案。

文件下载：tpsm83100.pdf

产品概述

TPSM83100和TPSM83101是采用恒定频率峰值电流模式控制的Buck - Boost MicroSiP™电源模块。它们集成了电感，简化了设计，减少了外部组件，节省了PCB面积。这两款模块具有3A的典型峰值电流限制，输入电压范围为1.6V至5.5V，输出电压范围为1.2V至5.5V，能满足多种不同的电源需求。

产品特性

宽电压范围

• 输入电压：支持1.6V至5.5V的输入电压范围，启动时设备输入电压需大于1.65V。这使得它可以适应多种不同的电源输入，增加了其应用的灵活性。
• 输出电压：输出电压范围为1.2V至5.5V，在PFM模式下还支持1.0V输出。对于不同的负载需求，都能提供合适的电压输出。

高输出电流能力

具备高输出电流能力，峰值开关电流可达3A。在不同输入电压条件下，能提供相应的输出电流，例如当 (V{IN} ≥ 3V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 时，输出电流 (I{out}) 可达1.5A；当 (V{IN} ≥ 2.7V) 且 (V{OUT} = 3.3V) 时， (I{out}) 为1.2A。

高效节能

• 低静态电流：典型静态电流仅8μA，在轻载或无负载条件下，能有效降低功耗，提高效率。
• 模式选择：具有自动省电模式和强制PWM模式。自动省电模式可根据负载情况自动调整工作模式，以保持整个负载范围内的高效率；强制PWM模式则可在需要时提供稳定的输出，减少输出纹波。

安全可靠

• 多种保护功能：具备过流保护、短路保护、过温保护和过压保护等功能，能有效避免设备因异常情况而损坏。
• 软启动功能：集成了采用主动斜坡的软启动功能，可限制启动时的浪涌电流，保护设备和负载。
• 真关断功能：具有真关断功能，能在关断时断开负载，确保设备的安全性。

小尺寸设计

采用MicroSiP™封装，集成了电感，尺寸仅为2.0mm × 2.6mm × 1.2mm（最大）的8引脚μSiP封装，非常适合对空间要求较高的应用。

应用领域

电压稳定器

在数据通信、光模块、制冷/加热等设备中，可作为电压稳定器，为系统提供稳定的电源。

系统预调节器

适用于智能手机、平板电脑、终端设备和远程信息处理系统等，为这些设备的电源系统提供稳定的预调节。

负载点调节

在有线传感器、端口/电缆适配器和加密狗等设备中，可实现负载点的精确电压调节。

传感器供电

可为指纹传感器、摄像头传感器等提供稳定的电源，如电子智能锁和IP网络摄像头中的传感器。

引脚配置与功能

引脚布局

TPSM83100和TPSM83101采用8引脚μSiP封装，各引脚的功能如下：	PIN	NAME	NO.	I/O (1)	DESCRIPTION
	VIN	1	PWR	电源输入电压
	GND	2	PWR	电源地
	GND	3	PWR	电源地
	VOUT	4	PWR	功率级输出
	FB	5	I	电压反馈，感应引脚
	GND	6	PWR	电源地
	MODE	7	I	PFM/PWM选择，低电平为省电模式，高电平为强制PWM模式，不能浮空
	EN	8	I	设备使能，高电平使能，低电平禁用，不能浮空

引脚功能详解

• VIN：作为电源输入引脚，为模块提供工作所需的电压。
• EN：用于控制模块的开启和关闭，方便系统进行电源管理。
• MODE：通过设置该引脚的电平，可以选择模块的工作模式，以满足不同的应用需求。
• FB：反馈引脚，用于监测输出电压，并通过外部电阻分压器来设置输出电压。

详细工作原理

工作模式

根据输入电压的不同，模块会自动在升压、降压或3周期Buck - Boost模式下工作。当输入电压约等于输出电压时，会进入3周期Buck - Boost模式。模式之间的转换在定义的占空比下进行，避免了模式内的不必要切换，从而减少输出电压纹波。

关键特性描述

欠压锁定（UVLO）

持续监测VIN引脚的输入电压，当输入电压低于UVLO负向阈值时，模块停止工作；当电压恢复到高于UVLO正向阈值时，模块恢复工作，并更快地重启软启动程序。

使能与软启动

当输入电压高于UVLO正向阈值且EN引脚电压高于1.2V时，模块启动。启动时，通过电感峰值电流钳位来限制浪涌电流，确保输出电压平稳上升。

可调输出电压

通过外部电阻分压器连接在VOUT、FB和GND之间来设置输出电压。推荐低侧电阻R2（FB和GND之间）低于100kΩ，高侧电阻R1（FB和VOUT之间）可通过公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 计算，其中 (V_{FB}) 典型值为0.5V。

模式选择（PFM/FPWM）

MODE引脚为数字输入，连接低电平时，模块工作在自动PFM模式，可在全输出电流范围内保持高效率；连接高电平时，工作在强制PWM模式，可实现最小输出纹波。

输出放电（仅TPSM83101）

当EN为低电平时，TPSM83101提供约67mA的主动下拉电流，快速放电输出，防止输出“浮动”或进入不确定状态，使电源的开启和关闭顺序更加平滑。

反向电流操作

在FPWM模式下，模块支持反向电流操作，即电流从VOUT引脚流向VIN引脚。当FB引脚的输出反馈电压高于参考电压时，模块调节会强制电流流入输入电容。

保护特性

• 输入过压保护：避免因输出到输入的电流以及输入源无法吸收电流而对设备造成损坏。当VIN引脚达到输入电压阈值 (V_{T+(IVP)}) 时，保护功能会禁用强制PWM模式，仅允许电流从VIN流向VOUT。
• 输出过压保护：防止外部反馈引脚工作异常时对设备造成损坏。当VOUT引脚达到输出电压阈值 (V_{T+(OVP)}) 时，保护功能会禁用模块功率级，使开关节点呈高阻抗状态。
• 短路保护：具有峰值电流限制性能，在短路或过载时保护设备。
• 热关断：监测芯片温度，当温度超过典型热阈值160˚C时，设备停止工作；温度下降到典型热关断滞后25˚C以下时，模块恢复正常工作。

应用与实现

典型应用设计

设计要求

以输出电压为3.3V为例，设计参数如下：	PARAMETERS	VALUES
输入电压	2.7V至4.3V
输出电压	3.3V
输出电流	1.5A

详细设计步骤

1. 输出电容选择：推荐使用小陶瓷电容，并尽可能靠近模块的VOUT和PGND引脚。总标称输出电容值推荐为47µF。若需使用大电容且无法靠近模块，可并联一个小陶瓷电容并靠近引脚放置。选择输出电容时要考虑直流偏置效应，以及电容大小和瞬态响应之间的权衡。
2. 输入电容选择：推荐使用22µF的X5R或X7R陶瓷电容，靠近模块的VIN和PGND引脚，以改善调节器的线路瞬态特性和整个电源电路的EMI特性。若输入电源距离模块较远，可能需要额外的大容量电容。
3. 设置输出电压：通过外部电阻分压器设置输出电压，反馈电压标称值为500mV。低侧电阻R2应低于100kΩ，高侧电阻R1可通过公式 (R1 = R2 times (V{OUT} / V{FB} - 1)) 计算。

应用曲线分析

文档中给出了多种应用曲线，如基于热限制的安全工作区曲线、效率与输出电流曲线、负载调节曲线等。这些曲线可以帮助工程师更好地了解模块在不同工作条件下的性能，从而进行合理的设计和优化。

电源供应建议

TPSM83100和TPSM83101对输入电源无特殊要求，但输入电源的输出电流需根据输入电压、输出电压和输出电流进行合理额定。

布局要点

布局准则

PCB布局对于模块的高性能至关重要。输入和输出电容应尽可能靠近模块，走线要短，为输入和输出电容设计宽而直接的走线，以降低走线电阻和寄生电感。

布局示例

文档中给出了布局示例，可供工程师参考。

总结

TPSM83100和TPSM83101电源模块以其宽电压范围、高输出电流能力、高效节能、安全可靠和小尺寸设计等优点，在众多应用领域中具有广阔的应用前景。对于电子工程师来说，在设计过程中合理选择和应用这些特性，并遵循正确的设计和布局原则，将能够充分发挥模块的性能，为产品提供稳定可靠的电源解决方案。你在使用这款模块的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区留言分享。