TPSM63610：高性能同步降压DC/DC电源模块的设计与应用

引言

在电子设备的电源设计领域，工程师们一直致力于寻找性能卓越、设计简便的电源解决方案。德州仪器（Texas Instruments）的TPSM63610同步降压DC/DC电源模块，以其高集成度、宽输入电压范围、高效能以及低电磁干扰（EMI）等特性，成为众多应用场景下的理想选择。本文将深入剖析TPSM63610的特性、工作原理、设计要点以及典型应用，为电子工程师们在电源设计过程中提供全面的参考。

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TPSM63610特性概述

功能安全与高集成度

TPSM63610具备功能安全能力，为功能安全系统设计提供了相关文档支持。它是一款高度集成的36V、8A同步降压模块，内部集成了功率MOSFET、屏蔽电感和无源元件，采用增强型HotRod™ QFN封装，尺寸仅为6.5mm × 7.5mm × 4mm，在有限的空间内实现了强大的功能。

宽输入输出范围与可调特性

该模块的输入电压范围为3V至36V，输出电压可在1V至20V之间进行调节，能够满足多种不同的电源需求。同时，其开关频率可在200kHz至2.2MHz之间调节，通过RT引脚或外部时钟信号进行编程，为设计带来了极大的灵活性。

高效能与低EMI

TPSM63610在全负载范围内具有超高的效率，峰值效率可达95%以上。通过外部偏置选项和低散热阻抗的外露焊盘设计，进一步提高了效率。此外，它还具有超低的传导和辐射EMI特性，采用了优化的封装和引脚布局、双随机扩频（DRSS）调制等技术，有效降低了EMI滤波要求，能够满足CISPR 11和CISPR 32 Class B的EMI限制。

保护特性与可扩展性

模块具备多种保护特性，如过流保护、热关断保护、精密使能输入和开漏PGOOD指示器等，确保了系统的可靠性和稳定性。同时，它与TPSM63608（36V，6A）引脚兼容，方便进行电源设计的扩展。

引脚配置与功能详解

引脚布局

TPSM63610采用22引脚的B3QFN RDF封装，引脚的合理布局有助于优化输入和输出电容的放置，提高模块的性能。各个引脚都有其特定的功能，下面将对主要引脚进行详细介绍。

主要引脚功能

1. VIN1、VIN2：输入电源电压引脚，连接输入电源，并在靠近器件的这些引脚和PGND之间连接输入电容，以限制输入纹波电压。
2. RBOOT、CBOOT：用于调节开关节点的转换速率。通过在RBOOT和CBOOT之间连接电阻，可以调整内部串联自举电阻的值，从而平衡EMI和效率。当需要更高的效率时，可将RBOOT连接到CBOOT；当需要更低的EMI时，可连接100Ω - 500Ω的电阻。
3. SW：开关节点引脚，该引脚不应放置任何外部组件或连接到任何信号，应尽量减少该引脚上的铜面积，以防止噪声和EMI问题。
4. VLDOIN：内部LDO的输入偏置电压引脚。连接到输出电压点可以提高效率，建议在该引脚和地之间连接一个0.1μF - 1μF的高质量电容，以提高抗噪能力。
5. FB：反馈输入引脚，连接反馈电阻分压器的中点，用于设置输出电压。根据公式可计算出反馈电阻的值，以实现所需的输出电压。
6. RT：频率设置引脚，通过在RT和AGND之间连接外部电阻，可以在200kHz至2.2MHz之间设置开关频率。
7. PG：开漏电源良好监控输出引脚，当FB电压不在指定的窗口阈值内时，PG引脚输出低电平。需要一个10kΩ - 100kΩ的上拉电阻连接到合适的电压。该引脚可用于下游稳压器的启动排序、故障保护和输出电压监控。
8. EN：精密使能输入引脚，高电平使能模块，低电平关闭模块。可连接到VIN，也可使用使能分压器网络实现精确的输入欠压锁定（UVLO）功能。

TPSM63610：高效同步降压DC/DC电源模块的深度剖析

引言

在电子设计领域，电源模块的性能和可靠性至关重要。TPSM63610作为一款高性能的同步降压DC/DC电源模块，以其高集成度、宽输入电压范围、低EMI等特性，在众多应用场景中展现出了卓越的优势。本文将对TPSM63610进行全面的解析，涵盖其特性、应用、设计要点等方面，为电子工程师提供有价值的参考。

特性亮点

1. 功能安全能力

TPSM63610具备功能安全能力，提供相关文档以辅助功能安全系统设计，这对于对安全性要求较高的应用场景，如航空航天、工业自动化等领域至关重要。

2. 宽输入输出范围

输入电压范围为3V至36V，输出电压可在1V至20V之间调节，额定输出电流为8A，峰值可达10A，能够满足多种不同电源需求。

3. 高集成度与小尺寸

集成了MOSFET、电感和控制器，采用6.5mm × 7.5mm × 4mm的过模封装，在实现高功率密度的同时，减小了PCB占用空间。

4. 高效与低功耗

在全负载范围内具有超高效率，峰值效率可达95%以上。外部偏置选项进一步提高了效率，关机静态电流仅为0.6μA（典型值）。

5. 低EMI特性

采用低噪声封装，具有双输入路径和集成电容，可减少开关振铃。通过电阻可调的开关节点转换速率和双随机扩频（DRSS）调制，有效降低了传导和辐射EMI，满足CISPR 11和32 Class B排放标准。

6. 保护特性

具备过流和热关断保护功能，以及精密使能输入和开漏PGOOD指示器，可用于电源轨排序、控制和输入欠压锁定（UVLO）。

应用领域

1. 测试与测量、航空航天和国防

这些领域对电源的可靠性、稳定性和低噪声要求极高，TPSM63610的高性能特性能够满足其严格的需求。

2. 工厂自动化和控制

在工业自动化系统中，需要高效、稳定的电源模块来驱动各种设备，TPSM63610的宽输入电压范围和高输出电流能力使其成为理想选择。

3. 降压和反相降压 - 升压电源

可实现多种电源转换拓扑，为不同的电路设计提供了灵活性。

设计要点

1. 输出电压设置

TPSM63610的输出电压可通过两个反馈电阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 进行调节。推荐 (R{FBT}) 为100kΩ，根据公式 (R{FBB}(k Omega)=frac{R{FBT}(k Omega)}{frac{V{OUT }}{1}-1}) 计算 (R{FBB}) 的值。同时，为了提高相位裕度，可在 (R{FBT}) 上并联一个前馈电容 (C_{FF}) 。

2. 输入和输出电容选择

• 输入电容：为了限制输入纹波电压，建议使用陶瓷电容，至少需要两个10μF的陶瓷输入电容，优选X7R或X7S电介质，尺寸为1206或1210。根据公式 (I{CIN, rms}=sqrt{D timesleft(I{OUT }^{2} times(1-D)+frac{Delta i{L}^{2}}{12}right)}) 计算输入电容的RMS电流，根据 (C{IN} geqleft(frac{I{OUT } × D times(1-D)}{F{S W} timesleft(Delta V{IN}-I{OUT } × R_{ESR}right)}right)) 计算所需的输入电容值。
• 输出电容：根据输出电压的不同，所需的最小输出电容也不同。在选择输出电容时，需要考虑DC偏置和温度变化的影响，建议使用陶瓷电容。

3. 开关频率设置

通过在RT和AGND之间连接电阻 (R{RT}) ，可在200kHz至2.2MHz之间设置开关频率，计算公式为 (R{RT}(k Omega)=frac{16.4}{F_{SW}[MHz]}-0.633) 。选择合适的开关频率可以优化电感纹波电流，提高模块的性能。

4. 频率同步和扩频

可通过SYNC/MODE引脚将内部振荡器与外部时钟同步，同步频率范围为200kHz至2.2MHz。同时，通过SPSP引脚可配置扩频功能，减少特定频率的峰值发射，降低EMI。

5. 电源良好监控（PG）

PG引脚提供电源良好状态信号，当输出电压在94%至112%的调节窗口内时，PG引脚输出高电平。该信号可用于下游稳压器的启动排序、故障保护和输出监控。

6. 可调开关节点转换速率

通过在RBOOT和CBOOT之间连接电阻，可以调节开关节点的转换速率，平衡EMI和效率。

7. 偏置电源调节器

VCC是内部LDO的输出，为控制电路供电。VLDOIN是内部LDO的输入，连接到 (V_{OUT}) 可提供最低的输入电源电流，降低LDO的功耗。

8. 过流保护和热关断

TPSM63610采用逐周期电流限制来保护模块免受过流情况的影响。在极端过载情况下，采用打嗝式过流保护，模块会关闭40ms（典型值）后尝试重启。热关断功能可在结温超过168°C（典型值）时关闭设备，当结温降至159°C（典型值）时尝试重启。

典型应用案例

1. 高效8A（10A峰值）同步降压稳压器

以一个5V、8A的降压稳压器为例，输入电压范围为9V至36V，开关频率为1MHz。通过合理选择反馈电阻、输入和输出电容、开关频率等参数，可实现高效稳定的电源输出。

2. 反相降压 - 升压稳压器

设计一个输出为 - 12V的反相降压 - 升压稳压器，输入电压范围为9V至24V，开关频率为1MHz。在这种应用中，需要特别注意输入和输出电容的选择，以及输出电压的设置。

布局建议

1. 输入和输出电容布局

输入电容应尽可能靠近VIN引脚，采用双对称布局，以减少高频电流产生的磁场干扰，提高EMI性能。输出电容也应靠近VOUT引脚，同样采用双对称布局。

2. 反馈路径布局

反馈电阻应靠近FB引脚，保持反馈走线尽可能短，以减少输出电压反馈路径的噪声敏感性。

3. 接地布局

使用实心接地平面作为噪声屏蔽，将AGND引脚直接连接到PGND引脚。同时，提供足够的PCB面积用于散热，通过热过孔将封装的暴露焊盘连接到PCB接地平面。

总结

TPSM63610是一款功能强大、性能卓越的同步降压DC/DC电源模块，具有宽输入输出范围、高集成度、高效低功耗、低EMI等诸多优点。在设计过程中，需要根据具体应用需求合理选择参数和布局，以充分发挥其性能优势。希望本文能为电子工程师在使用TPSM63610进行电源设计时提供有益的参考。

大家在使用TPSM63610的过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。