深入解析 TPS62730：超低功耗无线应用的理想 DC - DC 转换器

在当今的电子设备中，尤其是超低功耗无线应用领域，电源管理芯片的性能至关重要。TPS62730 作为一款专为超低功耗无线应用优化的高频同步降压 DC - DC 转换器，具有许多独特的特性和优势。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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1. 芯片概述

TPS62730 主要用于为德州仪器（TI）的低功耗无线 sub 1 - GHz 和 2.4GHz RF 收发器以及片上系统（SoC）解决方案供电。它通过高效的降压电压转换，降低了设备在发射（TX）和接收（RX）模式下从电池吸取的电流，最大输出电流可达 100 mA，并且允许使用小型且低成本的片式电感和电容。其输入电压范围为 1.9 V 至 3.9 V，支持多种电池化学类型，如 Li - SOCl₂、LiSO₂、Li - MnO₂ 以及两节碱性电池。

2. 关键特性

2.1 自动模式转换

该芯片具备从 DC - DC 模式自动转换到旁路模式的功能。当输入电压接近 DC - DC 转换器的输出电压时，DC - DC 转换器接近 100% 占空比运行，此时内部旁路开关会自动开启，将输出直接连接到输入，从而使输出纹波电压降为零，同时将 DC - DC 转换器的电流消耗降低至典型的 23 µA。当输入电压升高并超过旁路停用阈值时，DC - DC 调节器重新开启，旁路开关关闭。

2.2 高频开关

最高可达 3 - MHz 的开关频率，即使使用小的 2.2 - uF 输出电容，也能实现低输出纹波电压和低噪声。

2.3 高效转换

DC - DC 效率最高可达 95%，能有效降低功耗，延长电池续航时间。

2.4 超低功耗旁路模式

典型电流消耗仅为 30 - nA，支持 TI 的 CC2540 蓝牙低功耗和 CC430 SoC 解决方案的睡眠和低功耗模式。在该模式下，DC - DC 转换器的输出电容通过一个典型 2.1 - Ω 的旁路开关连接到电池。

2.5 固定输出电压选项

提供 1.9 V、2.05 V、2.1 V、2.3 V 等固定输出电压，满足不同应用的需求。

2.6 小尺寸封装

采用 (1 × 1.5 × 0.6 - mm³) 的 USON 封装，最小解决方案尺寸仅为 (12 - mm²)，适合对空间要求较高的应用。

3. 引脚配置与功能

引脚名称	引脚编号	I/O	描述
VIN	3	PWR	输入电源引脚，需连接到输入电容的 VIN 端附近，需使用 2.2 µF 的陶瓷电容。
GND	4	PWR	接地引脚，连接到输入和输出电容的 GND 端附近。
ON/BYP	5	IN	模式选择引脚。拉低该引脚可使设备进入超低功耗旁路模式，DC - DC 转换器的输出通过内部旁路开关连接到 VIN；拉高该引脚则启用 DC - DC 转换器操作。该引脚必须连接并由系统控制。
SW	2	OUT	开关引脚，连接到内部 MOSFET 开关，需将电感连接到该端子。
VOUT	6	IN	内部反馈分压网络和调节环路的反馈引脚。内部旁路开关连接在该引脚和 VIN 之间，需用短走线直接连接到输出电容。
STAT	1	OUT	开漏状态输出，低电平有效。由内部比较器驱动，当 ON/BYP = low 时，该引脚为高阻抗；当 ON/BYP 置为 high 时，设备和内部 VOUT 比较器激活，低电平的 STAT 引脚表示 DC - DC 调节器已稳定且输出电压高于 (V_{TSTAT}) 阈值。若不使用，该引脚可悬空。

4. 规格参数

4.1 绝对最大额定值

• 电压：VIN、SW、VOUT 为 - 0.3 至 4.2 V；ON/BYP、STAT 为 - 0.3 至 (V_{IN} + 0.3)（≤ 4.2 V）。
• 工作结温： - 40 至 125°C。
• 存储温度： - 65 至 150°C。

4.2 ESD 评级

• 人体模型（HBM）：±2000 V。
• 带电器件模型（CDM）：±1000 V。
• 机器模型（MM）：±150 V。

4.3 推荐工作条件

• 环境温度： - 40 至 85°C。
• 电源电压 (V_{IN})：1.9 至 3.9 V。
• 有效电感：1.5 至 3 μH。
• 连接到 VOUT 的有效输出电容：1.0 至 10 μF。
• 工作结温范围： - 40 至 125°C。

5. 详细工作原理

5.1 DCS - Control™ 控制拓扑

TPS62730 采用了 TI 的 DCS - Control 先进调节拓扑，结合了滞回和电压模式控制架构的优点。比较器阶段提供了出色的负载瞬态响应，而额外的电压反馈环路确保了高直流精度。该控制方式允许高达 3 MHz 的开关频率，实现了出色的瞬态和交流负载调节，并且可以使用小型且具有成本竞争力的外部组件。

5.2 模式选择

• DC - DC 模式：当 ON/BYP 引脚置为高电平时，DC - DC 转换器激活。
• 超低功耗旁路模式：将 ON/BYP 引脚拉低，可激活该模式，典型电流消耗仅为 30 - nA。此时内部旁路开关开启，DC - DC 转换器的输出连接到电池 VIN，其他内部电路关闭，内部电阻反馈分压网络断开。

5.3 STAT 开漏输出

当设备启用（EN/BYP = high）时，STAT 输出有效，用于指示输出电压的状态。它是一个低电平有效的开漏输出，需要一个外部上拉电阻来指示高电平。内部比较器监测输出电压 (V{OUT})，当输出电压 (V{OUT}) 超过阈值 (V{TSTAT})（下降 (V{IN}) 时为 (V{OUT}) 的 95%，上升 (V{IN}) 时为 (V{OUT}) 的 98%），STAT 引脚拉低；当 ON/BYP 引脚置为低电平或 (V{OUT}) 低于 (V_{TSTAT}) 阈值时，该引脚为高阻抗。

6. 应用与设计

6.1 典型应用设计要求

TPS6273x 是一款高度集成的 DC - DC 转换器，输出电压内部固定，无需外部反馈分压网络。正常工作仅需一个输入电容、一个输出电容和一个电感。

6.2 详细设计步骤

6.2.1 输出滤波器设计

TPS62730 优化了有效电感值在 1.5 μH 至 3 μH 范围内，有效输出电容在 1.0 μF 至 10 μF 范围内的操作。内部补偿针对 (L = 2.2 mu H) 和 (C{OUT} = 2.2 mu F) 的输出滤波器进行了优化，其 LC 输出滤波器拐角频率为： [f{C}=frac{1}{2 × pi × sqrt{(2.2 mu H × 2.2 mu F)}}=72 kHz]

6.2.2 电感选择

电感值会影响其峰 - 峰纹波电流、PWM - 到 - PFM 转换点、输出电压纹波和效率。所选电感的直流电阻和饱和电流必须符合要求。电感纹波电流 (Delta I{L}) 随电感值的增加而减小，随 (V{IN}) 或 (V_{OUT}) 的增加而增加。在高频转换器应用中，电感的交流电阻（即品质因数）对效率影响较大，应选择在开关频率下品质因数高于 25 的电感。

6.2.3 DC - DC 输出电容选择

TPS62730 的 DCS - Control 方案允许使用小型陶瓷电容。推荐使用低 ESR 值的陶瓷电容，输出电容需采用 X7R 或 X5R 电介质。

6.2.4 额外的去耦电容

除了输出电容外，还需在 TPS62730 的输出端连接额外的去耦电容，这些电容应靠近 RF 发射器或微控制器放置。在模式转换过程中，需考虑输出和去耦电容的充放电能量损失。

6.2.5 输入电容选择

由于降压转换器的输入电流具有脉动特性，需要一个低 ESR 的输入电容来实现最佳的输入电压滤波，以确保设备正常工作并最小化输入电压尖峰。大多数应用推荐使用 2.2 µF 至 4.7 µF 的陶瓷电容。

6.2.6 检查环路稳定性

评估电路和稳定性时，首先要从稳态角度观察开关节点、电感电流和输出纹波电压等信号。当开关波形出现大的占空比抖动或输出电压、电感电流出现振荡时，调节环路可能不稳定，这通常是由电路板布局和/或 L - C 组合引起的。此外，还需测试负载瞬态响应，通过监测输出电压的稳定时间、过冲或振铃来判断转换器的稳定性。

7. 布局注意事项

对于开关电源，布局是设计中的重要环节，尤其是在 RF 设计中，需要特别注意 PCB 布局。为了获得指定的性能，必须精心设计电路板布局。要提供低电感、低阻抗的接地路径，使用宽而短的走线作为主要电流路径。输入电容应尽可能靠近 IC 引脚，电感和输出电容也应如此。使用公共电源接地节点和不同的信号接地节点，以最小化接地噪声的影响。保持连接到 GND 引脚的公共路径尽可能短，避免接地噪声。VOUT 线应连接到输出电容，并远离嘈杂的组件和走线。

总结

TPS62730 凭借其高效的电压转换、超低功耗旁路模式、小尺寸封装以及丰富的功能特性，成为超低功耗无线应用中电源管理的理想选择。在设计过程中，我们需要根据其规格参数和工作原理，合理选择外部组件，并注意电路板布局，以确保系统的稳定性和性能。各位工程师在实际应用中是否也遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。