TPSM842xx系列电源模块：高效集成的电源解决方案

前言

在电子设计领域，电源模块的性能和可靠性至关重要。德州仪器（TI）的TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212电源模块，以其高效、集成化的特点，为工程师们提供了一种便捷的电源解决方案。本文将详细介绍这些模块的特点、应用以及设计要点，希望能为电子工程师们在电源设计方面提供一些参考。

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一、产品概述

TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212是28V输入、1.5A的同步降压转换器，它们将PWM、MOSFET、电感和控制电路集成在一个TO - 220封装中。这种集成化设计不仅使设计更加紧凑，还提高了效率，相比传统线性调节器具有明显优势。该系列提供3.3V、5.0V和12.0V三种固定输出电压选项，固定的400kHz（典型值）开关频率有助于减小尺寸和降低输出电压纹波。

二、产品特点

2.1 集成度高

这三款模块是完整的集成电源解决方案，采用3引脚TO - 220封装，只需添加输入和输出电容，就能省去环路补偿和磁性元件选择的设计过程，大大简化了设计流程。

2.2 高效节能

效率高达95%，在不同输入电压和输出电流条件下都能保持较高的效率。例如，在VIN = 24V，IOUT = 1A，VOUT = 12.0V时，效率可达94%。同时，采用先进的Eco - mode™脉冲跳过模式，在轻载条件下能进一步提高效率。

2.3 多种保护功能

具备过流保护、输出过压保护和热关断功能。过流保护采用逐周期电流限制，若输出过载超过1.28ms，设备将关闭并在约40ms后重启；输出过压保护电路可在输出电压超过108% × VOUT时强制关断高端MOSFET，低于104% × VOUT时重新启用；当结温超过165°C（典型值）时，热关断电路将强制设备停止开关，结温降至155°C（典型值）时重新启动。

2.4 宽工作温度范围

工作结温范围为 - 40°C至 + 125°C，工作环境温度范围为 - 40°C至 + 85°C，能适应多种恶劣环境。

2.5 低电磁干扰

符合EN55022 Class B辐射发射标准，减少了对其他设备的干扰。

三、应用领域

3.1 分布式电源总线供电

适用于12V、24V分布式电源总线供电系统，为各种设备提供稳定的电源。

3.2 工业白色家电

在工业白色家电中，如冰箱、洗衣机等，可提供高效、稳定的电源，确保设备正常运行。

3.3 消费电子

在音频设备、机顶盒（STB）、数字电视（DTV）和打印机等消费电子产品中也有广泛应用。

四、引脚配置与功能

TPSM842xx采用3引脚通孔EAB封装，引脚功能如下：

• GND（引脚2）：接地，是设备功率级的回流电流路径，需连接到与VIN和VOUT相关的旁路电容。
• VIN（引脚1）：输入电压，为转换器的控制电路和功率开关提供电压，需在该引脚与GND之间连接外部旁路电容。
• VOUT（引脚3）：输出电压，连接到内部输出电感，需连接到输出负载，并在该引脚与GND之间连接外部旁路电容。

五、规格参数

5.1 绝对最大额定值

输入电压范围为 - 0.3V至30V，不同型号的输出电压有不同的最大额定值，如TPSM84203为 - 0.3V至3.9V，TPSM84205为 - 0.3V至5.7V，TPSM84212为 - 0.3V至13.0V。同时，还规定了机械冲击、机械振动、工作结温、工作环境温度和存储温度等参数。

5.2 推荐工作条件

不同型号的输入电压推荐范围不同，TPSM84203为4.5V至28V，TPSM84205为7V至28V，TPSM84212为14.5V至28V；输出电流范围为0至1.5A；工作环境温度范围为 - 40°C至 + 85°C，工作结温范围为 - 40°C至 + 125°C。

5.3 ESD额定值

人体模型（HBM）为±2500V，充电设备模型（CDM）为±1500V。

5.4 热信息

结到环境的热阻RθJA为56°C/W，结到顶部的表征参数ψJT为0.9°C/W，结到电路板的表征参数ψJB为1.7°C/W。

5.5 电气特性

包括输入电压范围、输出电压精度、输出电流、效率、瞬态响应等参数。例如，输出电压的设定点电压公差在TA = 25°C，IOUT = 0A时为 - 3%至 + 3%，温度变化在 - 40°C ≤ TA ≤ 85°C，IOUT = 0A时为0.4%。

5.6 开关特性

开关频率范围为290kHz至510kHz，典型值为400kHz。

六、详细设计要点

6.1 输入电容

TPSM842xx设备需要至少10μF的陶瓷输入电容，推荐使用高质量的X5R或X7R电容，其额定电压应大于最大输入电压。对于有瞬态负载要求的应用，建议额外添加100μF的非陶瓷电容。

6.2 输出电容

TPSM84203和TPSM84205需要至少94μF（2x 47μF）的陶瓷输出电容，TPSM84212需要至少47μF的陶瓷输出电容。同样，推荐使用高质量的X5R或X7R电容，额定电压应大于最大输出电压。对于有瞬态负载要求的应用，可添加额外的输出电容。

6.3 压降电压

压降电压是维持稳压所需的输入电压与输出电压之差。文档中给出了TPSM84205和TPSM84212在不同环境温度下的典型压降电压曲线，工程师可根据实际需求进行参考。

6.4 内部软启动

设备在内部软启动功能的控制下启动，典型的内部软启动时间为5ms。

6.5 预偏置输出安全启动

设备设计为防止低端MOSFET对预偏置输出进行放电。在单调预偏置启动期间，直到内部软启动电压高于内部反馈电压，高端和低端MOSFET才允许导通。

七、应用与实现

7.1 设计流程

可使用WEBENCH®软件生成完整设计，也可按照以下步骤进行设计：

1. 确定输入电压、输出电压和输出电流要求。
2. 使用优化器调整关键参数，如效率、尺寸和成本。
3. 比较生成的设计与其他可能的解决方案。

7.2 典型应用示例

以TPSM84205为例，输入电压为24V，输出电压为5V，需要在输入和输出端添加适当的电容。输入添加10μF陶瓷电容，输出添加2x 47μF陶瓷电容。

7.3 EMI特性

TPSM842xx设备均符合EN55022 Class B辐射发射标准，文档中给出了不同输入输出条件下的辐射发射图，可帮助工程师评估设备的电磁兼容性。

八、布局建议

8.1 布局准则

为实现最佳的电气和热性能，需要优化PCB布局：

• 使用大面积铜区作为电源平面（VIN、VOUT和GND），以减少传导损耗和热应力。
• 将陶瓷输入和输出电容靠近设备引脚放置，以减少高频噪声。
• 在陶瓷电容和负载之间放置额外的输出电容。
• 使用多个过孔将电源平面连接到内部层。

8.2 布局示例

文档中给出了典型的PCB布局图，可作为参考。

九、总结

TPSM84203、TPSM84205和TPSM84212电源模块以其高集成度、高效率、多种保护功能和宽工作温度范围等特点，为电子工程师提供了一种可靠的电源解决方案。在设计过程中，工程师需根据实际需求选择合适的型号，并注意输入输出电容的选择、布局设计等要点，以确保设备的性能和可靠性。同时，可利用WEBENCH®软件进行辅助设计，提高设计效率。大家在实际应用中是否遇到过类似电源模块的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。