TPS84250：7 - 50V輸入、2.5A降壓集成電源解決方案

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和特性對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TPS84250，這是一款7 - 50V輸入、2.5A降壓的集成電源解決方案，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

TPS84250是一款易于使用的集成電源解決方案，它將2.5A DC/DC轉(zhuǎn)換器與電感和無源元件集成到一個低剖面的QFN封裝中。這種集成化設(shè)計帶來了諸多優(yōu)勢，僅需最少5個外部組件，就可以完成設(shè)計，同時還省去了環(huán)路補(bǔ)償和磁性元件選擇的過程。其9mm × 11mm × 2.8mm的小型QFN封裝，便于焊接到印刷電路板上，能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊的負(fù)載點(diǎn)設(shè)計，效率超過90%，并且具有出色的散熱能力。

二、產(chǎn)品特性

2.1 寬輸入電壓范圍與輸出可調(diào)

它的輸入電壓范圍為7V至50V，輸出電壓可在2.5V至15V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，還具備65V的浪涌能力，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜的電源環(huán)境。

2.2 高效節(jié)能

效率高達(dá)96%，這在電源管理芯片中是非常出色的表現(xiàn)，能夠有效降低功耗，提高能源利用率。

2.3 靈活的頻率調(diào)節(jié)

開關(guān)頻率可在300kHz至1MHz之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，還能同步到外部時鐘，并且支持可調(diào)慢啟動、輸出電壓排序和跟蹤等功能。

2.4 完善的保護(hù)機(jī)制

具備輸出過流保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，能夠有效保護(hù)芯片和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 其他特性

還擁有Power - Good輸出、可編程欠壓鎖定（UVLO）等特性，并且滿足EN55022 Class B排放要求，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，熱性能為14°C/W。

三、應(yīng)用場景

TPS84250適用于多種領(lǐng)域，包括工業(yè)和電機(jī)控制、自動化測試設(shè)備、醫(yī)療和成像設(shè)備以及高密度電源系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用中，它能夠?yàn)楦鞣NIC和系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

四、規(guī)格參數(shù)

4.1 絕對最大額定值

輸入電壓范圍為7V至50V，輸出電壓范圍為2.5V至15V，開關(guān)頻率范圍為400kHz至1000kHz，工作環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至85°C。需要注意的是，超過絕對最大額定值的應(yīng)力可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

4.2 推薦工作條件

在設(shè)計時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理選擇輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率等參數(shù)，以確保設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

4.3 封裝規(guī)格

TPS84250的重量為0.9克，阻燃性符合UL 94 V - 0標(biāo)準(zhǔn)，MTBF（平均無故障時間）根據(jù)Bellcore TR - 332標(biāo)準(zhǔn)，在50%應(yīng)力、TA = 40°C、地面良性環(huán)境下為31.7 MHrs。

4.4 電氣特性

輸出電流最大可達(dá)2.5A，輸入電壓范圍在7.0V至50V之間，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為2.5V至15V，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)公差在TA = 25°C、IOUT = 100mA時為±2.0%，在 - 40°C至 + 85°C溫度范圍內(nèi)的溫度變化為±0.5%至±1.0%，線路調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)性能也非常出色。

五、引腳說明

TPS84250共有41個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，AGND引腳是模擬接地引腳，需要連接到PCB的接地平面以保證良好的熱性能；VIN引腳是輸入電壓引腳，為轉(zhuǎn)換器提供所有電源；VOUT引腳是輸出電壓引腳，連接到輸出負(fù)載和外部旁路電容；INH/UVLO引腳用于抑制和欠壓鎖定調(diào)節(jié)等。在設(shè)計PCB布局時，需要嚴(yán)格按照引腳的功能和要求進(jìn)行連接，以確保芯片的正常工作。

六、典型特性

6.1 效率與輸出電流關(guān)系

在不同的輸入電壓和輸出電壓條件下，TPS84250的效率與輸出電流呈現(xiàn)出一定的關(guān)系。一般來說，隨著輸出電流的增加，效率會先上升后下降。例如，在VIN = 24V、VOUT = 15V、fSW = 1MHz的條件下，效率最高可達(dá)90%以上。

6.2 電壓紋波與輸出電流關(guān)系

輸出電壓紋波會隨著輸出電流的變化而變化。在輕負(fù)載時，由于脈沖跳過，輸出電壓紋波可能會增加。在設(shè)計時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，合理選擇電容等元件，以降低電壓紋波。

6.3 功率耗散與輸出電流關(guān)系

功率耗散隨著輸出電流的增加而增加。在高負(fù)載情況下，需要注意芯片的散熱問題，以確保芯片的溫度在安全范圍內(nèi)。

七、電容推薦

7.1 電容技術(shù)

在選擇電容時，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場景和工作溫度選擇合適的電容類型。例如，在環(huán)境工作溫度低于0°C的應(yīng)用中，推薦使用聚合物 - 電解電容或聚合物 - 鉭電容；在環(huán)境溫度高于0°C的情況下，鋁電解電容可以提供足夠的去耦效果。陶瓷電容具有低ESR和高諧振頻率的特點(diǎn)，可用于減少輸入反射紋波電流和改善輸出瞬態(tài)響應(yīng)。

7.2 輸入電容

TPS84250需要至少4.4μF的陶瓷輸入電容，電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓，紋波電流額定值至少為450mArms。

7.3 輸出電容

輸出電容可以由全陶瓷電容或陶瓷電容與大容量電容的組合構(gòu)成，所需的輸出電容至少包括100μF的陶瓷電容（或2 x 47μF）。在添加額外的非陶瓷大容量電容時，需要選擇低ESR的器件。

八、應(yīng)用信息

8.1 操作參數(shù)選擇

在使用TPS84250進(jìn)行設(shè)計時，需要選擇三個主要參數(shù)：輸出電壓、UVLO閾值和開關(guān)頻率。這些參數(shù)可以通過一兩個電阻進(jìn)行調(diào)整。

8.2 輸出電壓調(diào)整

輸出電壓由連接在VOUT節(jié)點(diǎn)和VADJ引腳之間的RSET電阻決定。對于輸出電壓大于5.0V的情況，可以通過增加RT/CLK引腳和AGND引腳之間的RRT電阻來提高工作頻率，以獲得更好的性能。

8.3 輸入電壓

TPS84250的輸入電壓范圍為7V至50V。在輕負(fù)載下，可靠啟動和運(yùn)行的最小輸入電壓取決于輸出電壓。對于輸出電壓≤12V的情況，最小輸入電壓為7V或（VOUT + 3V）中的較大值；對于輸出電壓>12V的情況，最小輸入電壓為（1.33 x VOUT）。最大輸入電壓為（15 x VOUT）或50V中的較小值。

8.4 欠壓鎖定（UVLO）閾值

通過兩個電阻RUVLO1和RUVLO2可以設(shè)置UVLO的開啟和關(guān)閉閾值。為了確保正確啟動并減少輸入電源上的電流浪涌，VON UVLO閾值應(yīng)設(shè)置為至少（VOUT + 3V）或7V中的較大值。

8.5 功率良好（PWRGD）

PWRGD引腳是一個開漏輸出引腳。當(dāng)輸出電壓在設(shè)定電壓的94%至106%之間時，PWRGD引腳釋放下拉并浮空；當(dāng)輸出電壓低于91%或高于109%的標(biāo)稱設(shè)定電壓時，PWRGD引腳被拉低。

8.6 開關(guān)頻率

TPS84250的標(biāo)稱開關(guān)頻率出廠設(shè)定為400kHz，對于輸出電壓為5.0V及以上的情況，可以通過在RT/CLK引腳和AGND引腳之間添加RRT電阻來提高工作頻率，以減少輸出電壓紋波、降低脈沖跳過開始的負(fù)載電流閾值并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

8.7 應(yīng)用原理圖

文檔中給出了不同輸入電壓和輸出電壓條件下的典型應(yīng)用原理圖，為工程師提供了參考。例如，在VIN = 7V至36V、VOUT = 3.3V的情況下，以及VIN = 15V至50V、VOUT = 12V的情況下，都有相應(yīng)的電路設(shè)計。

8.8 上電特性

當(dāng)按照原理圖配置時，TPS84250在施加有效輸入電壓后會產(chǎn)生穩(wěn)壓輸出電壓。上電時，內(nèi)部軟啟動電路會減慢輸出電壓上升的速率，從而限制從輸入源吸取的浪涌電流。

8.9 輸出開/關(guān)抑制（INH）

INH引腳提供設(shè)備的電氣開/關(guān)控制。當(dāng)INH引腳電壓超過閾值電壓時，設(shè)備開始工作；當(dāng)INH引腳電壓低于閾值電壓時，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)并進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。

8.10 慢啟動（SS/TR）

對于輸出電壓為5V或更低的情況，TPS84250內(nèi)置的慢啟動電容足以提供不會在給輸出電容充電時引起大的浪涌電流的開啟斜坡速率。對于輸出電壓大于5V的情況，建議添加額外的慢啟動電容。

8.11 過流保護(hù)

TPS84250采用逐周期電流限制來保護(hù)負(fù)載故障。在過流情況下，輸出電流被限制，輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓下降超過設(shè)定點(diǎn)的8%時，PWRGD信號被拉低；當(dāng)輸出電壓下降超過25%時，開關(guān)頻率降低以減少設(shè)備內(nèi)部的功耗。

8.12 輕負(fù)載行為

TPS84250是非同步轉(zhuǎn)換器，在輕負(fù)載時會出現(xiàn)脈沖跳過現(xiàn)象，導(dǎo)致輸出電壓紋波增加和紋波頻率降低。脈沖跳過開始的負(fù)載電流與輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率有關(guān)。

8.13 同步（CLK）

內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）允許在400kHz至1MHz之間進(jìn)行同步，并可以輕松從RT模式切換到CLK模式。在使用外部時鐘信號時，需要將方波時鐘信號連接到RT/CLK引腳，時鐘信號的占空比應(yīng)在20%至80%之間，幅度應(yīng)在0.8V至2.0V之間。

8.14 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過180°C時，內(nèi)部熱關(guān)斷電路會強(qiáng)制設(shè)備停止開關(guān)；當(dāng)結(jié)溫下降到165°C以下時，設(shè)備重新啟動上電序列。

8.15 布局考慮

為了實(shí)現(xiàn)最佳的電氣和熱性能，需要進(jìn)行優(yōu)化的PCB布局。例如，使用大面積的銅區(qū)域作為電源平面，將陶瓷輸入和輸出電容靠近模塊引腳放置，隔離PH銅區(qū)域和VOUT銅區(qū)域等。

8.16 EMI

TPS84250符合EN55022 Class B輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，在不同輸入電壓和輸出電壓條件下的輻射發(fā)射測試結(jié)果表明其具有良好的電磁兼容性。

九、總結(jié)

TPS84250是一款功能強(qiáng)大、性能出色的集成電源解決方案，具有寬輸入電壓范圍、高效節(jié)能、靈活的頻率調(diào)節(jié)和完善的保護(hù)機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場景，合理選擇參數(shù)和元件，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用TPS84250的過程中，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評論區(qū)分享交流。