TPSM53604：高效集成电源模块的设计与应用

引言

在电子设计领域，电源模块的性能和可靠性对整个系统的稳定运行起着至关重要的作用。德州仪器（Texas Instruments）的TPSM53604电源模块，以其高度集成的特性和出色的性能，成为众多应用场景的理想选择。本文将深入介绍TPSM53604的特点、应用、详细参数以及设计要点，帮助电子工程师更好地了解和使用这款电源模块。

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产品概述

TPSM53604是一款高度集成的4 - A电源解决方案，采用了36 - V输入的同步降压DC/DC转换器，将功率MOSFET、屏蔽电感和无源元件集成在一个热增强型QFN封装中。其5mm x 5.5mm x 4mm的15引脚封装，运用了Enhanced HotRod QFN技术，不仅具有出色的热性能，还拥有小尺寸和低EMI的优势。

产品特性

1. 功能安全能力：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。
2. 小巧封装与低EMI：采用5mm × 5.5mm × 4mm的Enhanced HotRod™ QFN封装，是业界最小的36 - V、4 - A封装，单面解决方案尺寸仅为(85 ~mm^{2})，且满足CISPR11辐射发射标准，具有低EMI特性。
3. 优秀的热性能：在85°C环境下，无需气流，输出功率可达20W。
4. 标准引脚布局：引脚布局标准，所有引脚可从周边访问，底部有单个大散热焊盘，便于布局和制造。
5. 宽输入输出电压范围：输入电压范围为3.8 V至36 V，输出电压范围为1 V至7 V。
6. 高效率：效率高达95%。
7. 丰富的保护功能：具备电源良好标志、精密使能、内置打嗝模式短路保护、过温保护、预偏置输出启动、软启动和欠压锁定等功能。
8. 宽工作温度范围：工作IC结温范围为–40°C至 +125°C，工作环境温度范围为–40°C至 +105°C，且经过冲击和振动测试（Mil - STD - 883D）。
9. 引脚兼容：与3 - A TPSM53603和2 - A TPSM53602引脚兼容。
10. 设计工具支持：可使用WEBENCH® Power Designer进行定制设计，还可下载EVM设计文件以加快电路板设计。

应用领域

TPSM53604的应用范围广泛，涵盖了多个领域：

1. 通用宽输入电压电源：适用于各种需要宽输入电压范围的电源应用。
2. 工厂自动化和控制：为工厂自动化设备提供稳定的电源支持。
3. 测试和测量：满足测试和测量设备对电源的高精度要求。
4. 航空航天和国防：在航空航天和国防领域，其可靠性和稳定性得到了充分发挥。
5. 负输出电压应用：可实现负输出电压的转换。

详细参数

绝对最大额定值

在推荐的工作结温范围内，TPSM53604的绝对最大额定值如下：	参数	最小值	最大值	单位
输入电压（VIN到PGND）	-0.3	38	V
EN到AGND	-0.3	VIN + 0.3	V
PGOOD到AGND	-0.3	22	V
FB到AGND	-0.3	5.5	V
AGND到PGND	-0.3	0.3	V
输出电压（VOUT到PGND）	-0.3	VIN + 0.3	V
V5V到AGND	0	5.5	V
工作IC结温	-40	150	°C
储存温度	-55	150	°C
峰值回流焊温度	245	°C
允许的最大回流次数	3
机械振动（Mil - STD - 883D，20 to 2000 Hz）	20	G
机械冲击（Mil - STD - 883D，1 msec，1/2 sine，mounted）	500	G

ESD评级

类型	值	单位
人体模型（HBM）	±2500	V
带电器件模型（CDM）	±1000	V

推荐工作条件

参数	最小值	最大值	单位
输入电压（VIN）	3.8	36	V
输出电压（VOUT）	1	7	V
输出电流（IOUT）	0	4	A
EN电压（VEN）	0	VIN	V
PGOOD上拉电压（VPGOOD）	0	18	V
PGOOD灌电流	3	mA
工作环境温度（TA）	–40	105	°C
输入电容（CIN）	20	µF
输出电容（COUT）	min	1000	µF

热信息

热指标	TPSM53604 RDA (QFN) 15 PINS	单位
结到环境热阻（RθJA）	19.5	°C/W
结到顶部特征参数（ψJT）	1.0	°C/W
结到板特征参数（ψJB）	5.5	°C/W
热关断温度	165	°C
恢复温度	148	°C

电气特性

在(T{A}=-40^{circ} C)至 +105°C，(V{IN}=12 ~V)，(V{OUT }=3.3 ~V)，(I{OUT }=I_{OUT })最大的条件下，部分电气特性如下：	参数	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压（VIN）	输入电压范围（Over lou range）	3.8	36	V
VIN开启	Vin increasing，lour = 0.2A	3.55	V
VIN关闭	Vin decreasing，lour = 0.2A	3.05	V
静态电流（la）	Non - switching，VB = 1.2 V	24	A
关断电源电流（ISHDN）	VEN = 0V，lour = 0A	5	10	A
内部LDO（V5V）	6V ≤ VIN ≤ 36V	4.75	5	5.25	V
反馈电压（VFB）	-40°C ≤ T ≤ +125°C，lour = 0.75 A	0.985	1	1.015	V
负载调整率	TA = +25°C，0.8 A ≤ louT ≤ 4A	0.06	%
线性调整率	TA = +25°C，lour = 0.75 A，Over Vin range	0.15	%
流入FB引脚的电流（IFB）	FB = 1V	0.2	50	nA
输出电流（louT）	TA = 25°C	0	4	A
过流阈值	5.5	A
触发短路打嗝模式所需的FB引脚电压（VHC）	0.4	V
电流限制打嗝脉冲之间的时间（tHC）	94	ms
使能（EN引脚）	EN输入电平开启内部LDO（Rising threshold）	1	V
EN输入电平关闭内部LDO（Falling threshold）	0.3
EN输入电平启动开关（Rising threshold）	1.2	1.23	1.26	V
EN - H下方的迟滞（VEN - HYS）	Falling	100	mV
使能输入泄漏电流（LKG - EN）	VEN = 3.3V	0.2	nA
电源良好（PGOOD引脚）	Vour rising（fault）（% of FB voltage）	107	%
Vour falling（good）（% of FB voltage）	105	%
Vour rising（good）（% of FB voltage）	94	%
Vou falling（fault）（% of FB voltage）	92	%
电源良好标志RpsON（Rpg）	VEN = 0V	35	p
PGOOD正常工作的最小输入电压（VIN.PG）	50 - A，EN = 0V	2	V
PGOOD逻辑低输出（VPG）	50 - A，EN = 0V，VN = 2V	0.2	V
效率（n）	lour = 2A，TA = 25°C	91	%
内部软启动时间（tss）	4	ms
开关频率（fsw）	louT = 2A，TA = 25°C	1.4	MHz

功能特性详解

输出电压调整

通过连接到FB引脚（引脚9）的电阻分压器来设置TPSM53604的输出电压，输出电压调整范围为1 V至7 V。推荐(R{FBT})的值为10 kΩ，可使用公式(R{F B B}=frac{10}{left(V{OUT }-1right)}(k Omega))计算(R{FBB})的值。

开关频率

TPSM53604的开关频率内部设定为1.4 MHz，不可调整。在负载电流足够高且设备工作在PWM模式时，以固定频率运行；当负载电流下降并切换到PFM模式时，开关频率降低，从而降低功耗。

输入电容

TPSM53604需要至少20 μF（2 × 10 μF）的陶瓷输入电容，推荐使用高质量的X5R或X7R陶瓷电容，且电压额定值应大于最大输入电压。对于有瞬态负载要求的应用，建议额外增加47 µF的非陶瓷电容。

输出电容

根据输出电压的不同，TPSM53604所需的最小输出电容也不同。在选择陶瓷电容时，需要考虑DC偏置和温度变化的影响。当增加额外电容时，可以选择陶瓷类型、低ESR聚合物类型或两者结合。

输出开/关使能（EN）

EN引脚提供设备的电气开/关控制，具有精确的阈值。当(V{EN } ≥V{EN-LDOH })时，设备进入待机模式，为内部LDO供电但不产生输出电压；当EN电压增加到(V{EN-H})时，设备完全启用，进入启动模式并开始软启动周期；当EN输入低于(V_{EN-H})减去(VEN - HYS)时，调节器停止运行并进入待机模式；当EN电压进一步降低到低于(VEN - LDO - L)时，设备完全关闭。

可编程欠压锁定（UVLO）

TPSM53604在VIN引脚实现了内部UVLO电路，当VIN引脚电压低于内部VIN UVLO阈值时，设备禁用。内部VIN UVLO上升阈值典型值为3.55 V，典型迟滞为500 mV。如果应用需要更高的UVLO阈值，可以在VIN、EN引脚和AGND之间放置一个电阻分压器。

电源良好（PGOOD）

TPSM53604具有内置的电源良好信号（PGOOD），用于指示输出电压是否在其调节范围内。PGOOD引脚是一个开漏输出，需要一个上拉电阻连接到18 V或更低的标称电压源，内部5 - V LDO输出（V5V引脚）可作为上拉电压源。当输出电压上升到设定电压的94%以上时，PGOOD引脚上升到上拉电压水平；当输出电压下降到低于标称设定电压的92%或上升到高于107%时，PGOOD引脚被拉低。

轻载操作

在轻载条件下，设备会开启高端MOSFET，直到电感电流达到约1 A的受控最小值。当输入电压降低，(V{IN })和(Vout)之间的电压裕量减小时，达到该最小电流所需的时间增加，导致输出电压纹波增大。为消除这种现象，可以使用EN UVLO功能保持(V{OUT })以上至少1 V的裕量，或者在轻载且(V{IN })到(V{OUT })裕量非常低的应用中增加额外的输出电容来降低输出电压纹波。

电压降

电压降是指在提供额定输出电流时，维持输出电压调节所需的输入电压与输出电压之间的差值。为确保TPSM53604在工作温度范围内维持输出电压调节，最小(V{IN })为3.8 V或((V{OUT }+1 ~V))，取较大值。当压降电压低于上述推荐值时，TPSM53604会进入频率折返模式，降低开关频率以维持输出电压调节。

过流保护（OCP）

TPSM53604具备过流保护功能，对于过载采用逐周期电流限制，对于短路采用打嗝模式。如果输出出现故障情况，打嗝模式会被激活，该模式可降低严重过流条件下的功耗，防止设备过热和潜在损坏。在打嗝模式下，调节器关闭并保持94 ms（典型值），然后尝试再次启动。如果过流或短路故障仍然存在，打嗝模式将重复，直到故障条件消除。故障消除后，模块将自动恢复正常软启动上电。

热关断

内部热关断电路在结温超过典型值165°C时，会强制设备停止开关操作。当结温下降到典型值148°C以下时，设备重新启动上电序列。

设备功能模式

主动模式

当VIN高于开启阈值且EN引脚电压高于EN高阈值时，TPSM53604处于主动模式。将EN引脚连接到VIN是启用该设备的最直接方式，当输入电压在3.8 V至36 V的工作范围内时，设备可自动启动。在VIN、EN和AGND之间连接一个电阻分压器，可以调整UVLO，延迟开启直到(V_{IN })接近其调节电压。

自动模式

在自动模式下，设备会根据负载变化在脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）之间切换。轻载时，调节器工作在PFM模式；重载时，模式切换到PWM模式。设备从PFM切换到PWM的典型负载电流取决于输入电压和输出电压。在PWM模式下，调节器以恒定频率运行，通过PWM调节输出电压，具有良好的线路和负载调节能力以及低输出电压纹波；在PFM模式下，高端MOSFET以一个或多个脉冲的突发形式开启，为负载提供能量，通过调整突发频率来调节输出，同时采用二极管仿真以最大化效率，该模式在轻载时具有较高的效率，但输出电压纹波较大且开关频率可变。

关断模式

EN引脚为TPSM53604提供电气开/关控制。当EN引脚电压低于EN低阈值时，设备处于关断模式，待机电流典型值为5 μA。

应用与实现

应用信息

TPSM53604是一款同步降压DC/DC电源模块，用于将较高的直流电压转换为较低的直流电压，最大输出电流为4 A。它可以配置为负输出电压、反相降压 - 升压（IBB）拓扑。设计时可以使用WEBENCH®软件生成完整的设计，该软件采用迭代设计过程并访问全面的组件数据库。

典型应用

TPSM53604只需几个外部组件即可将宽输入电压范围转换为宽范围的输出电压。以一个输入电压为24 V，输出电压为5 V，输出电流额定值为4 A的设计为例，详细设计步骤如下：

1. 使用WEBENCH®工具进行定制设计：
   • 输入输入电压（(V_{IN})）、输出电压（(Vout)）和输出电流（(IOUT)）要求。
   • 使用优化器拨盘优化设计的关键参数，如效率、尺寸和成本。
   • 将生成的设计与德州仪器的其他可能解决方案进行比较。
   • WEBENCH Power Designer提供定制的原理图以及带有实时定价和组件可用性的材料清单，还可以进行电气和热仿真，导出定制的原理图和布局到流行的CAD格式，打印设计的PDF报告并与同事分享。
2. 输出电压设定点：通过电阻分压器外部调整TPSM53604的输出电压，推荐(R_{FBT})的值为10