TPS562201芯片輸入12V輸出3.3V電路分析

一、概述

在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)、電源模塊、工業(yè)控制以及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用中，3.3V電源電壓是最為常見的供電標(biāo)準(zhǔn)之一。而在大多數(shù)實際應(yīng)用場景中，系統(tǒng)可能提供的是12V直流輸入，這就需要一款高效、穩(wěn)定且可靠的降壓型電源管理芯片來將12V降壓至3.3V。TI公司推出的TPS562201芯片正是針對這一需求而設(shè)計的一款高性能同步降壓轉(zhuǎn)換器。

TPS562201是一款具備3A輸出能力、輸入電壓范圍寬（4.5V至17V）、固定頻率、采用SOT-23封裝的同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其工作頻率為500kHz，具備集成MOSFET、快速響應(yīng)、低靜態(tài)電流等特點，適合應(yīng)用于電源緊湊型設(shè)計場合。

本文將以“輸入12V，輸出3.3V”的具體應(yīng)用電路為案例，對TPS562201芯片進(jìn)行詳盡的電路分析，包括其結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、外圍元件設(shè)計、電氣特性、熱設(shè)計及實際應(yīng)用性能評估等內(nèi)容。

二、TPS562201芯片基本介紹

主要特性

• 輸入電壓范圍寬：4.5V ~ 17V

• 輸出電流能力強：最大可輸出3A電流

• 高效率：內(nèi)置低導(dǎo)通阻抗的高低邊MOSFET

• 工作頻率：固定500kHz開關(guān)頻率

• 封裝：SOT-23 (6引腳) 小型封裝

• 支持低至1V的輸出電壓

• 內(nèi)置軟啟動功能

• 欠壓鎖定、過流保護(hù)、短路保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)等多重保護(hù)機(jī)制

• 空載時電流消耗小于11μA（Eco-mode）

應(yīng)用場景

• 工業(yè)自動化控制電源

• 通信基站輔助供電

• 小型服務(wù)器及路由器系統(tǒng)

• 嵌入式開發(fā)板供電

• 電池管理系統(tǒng)（BMS）

• IoT邊緣設(shè)備的局部電源

三、電路總體結(jié)構(gòu)分析

將TPS562201應(yīng)用于12V轉(zhuǎn)3.3V的降壓電路中，整體結(jié)構(gòu)如下：

• 輸入端接12V直流電源；

• 經(jīng)過電容濾波提供穩(wěn)定輸入；

• TPS562201內(nèi)部通過高邊MOSFET將輸入電壓轉(zhuǎn)換為一定占空比的脈沖；

• 外圍LC低通濾波電路對PWM波整流濾波；

• 輸出穩(wěn)定為3.3V直流電壓。

此過程中，控制邏輯由芯片內(nèi)部完成，通過誤差放大器比較輸出電壓與參考電壓，經(jīng)過補償網(wǎng)絡(luò)控制占空比，形成一個典型的閉環(huán)反饋降壓電路。

四、關(guān)鍵引腳功能詳解

引腳定義

EN引腳： 控制芯片工作與否，是典型的數(shù)字輸入引腳。高于1.2V為高電平使能，低于0.4V為低電平關(guān)閉狀態(tài)?？赏ㄟ^電阻分壓控制延時啟動。

VIN引腳： 接輸入電壓，在本設(shè)計中為12V直流電源。注意應(yīng)在該引腳與地之間并聯(lián)瓷片電容以濾除尖峰電壓。

SW引腳： 此為開關(guān)節(jié)點，是內(nèi)部MOSFET切換點，同時連接外部電感和輸出整流電路，是整個系統(tǒng)的高頻噪聲源，應(yīng)特別注意布線與濾波。

GND引腳： 芯片地線，是所有電流回路的參考點，應(yīng)連接至大面積銅皮以降低阻抗并提升散熱能力。

FB引腳： 反饋電壓采樣節(jié)點，通過電阻分壓反饋輸出電壓至此引腳，內(nèi)部參考電壓為0.6V，通過調(diào)整分壓電阻可設(shè)置任意輸出電壓。

BOOT引腳： 與SW節(jié)點之間需連接一顆0.1μF陶瓷電容，實現(xiàn)自舉功能以驅(qū)動高邊MOSFET。

五、電路核心參數(shù)計算

輸出電壓設(shè)定計算

輸出電壓通過FB引腳的分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定：

??Vout = Vref × (1 + R1/R2)

其中Vref = 0.6V（固定），R1為FB至Vout的上拉電阻，R2為FB至GND的下拉電阻。

以目標(biāo)輸出電壓為3.3V代入得：

??3.3 = 0.6 × (1 + R1/R2)
??=> R1/R2 ≈ 4.5

選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻，如R2 = 10kΩ，則R1 ≈ 45kΩ，選用45.3kΩ（標(biāo)準(zhǔn)值）。

電感L的選擇

電感值影響紋波電流與瞬態(tài)響應(yīng)。推薦值按如下公式估算：

??L = (Vout × (Vin - Vout)) / (ΔIL × Vin × f)

其中：

• Vout = 3.3V，Vin = 12V

• ΔIL為電感紋波電流，取最大輸出電流的20%-40%，即0.6~1.2A

• f = 500kHz

以ΔIL = 1A代入，得L ≈ 4.6μH，選擇4.7μH屏蔽型功率電感。

輸出電容Cout選擇

輸出電容決定紋波電壓大?。?/span>

??ΔVout = ΔIL / (8 × f × Cout)

為控制輸出紋波在30mV以內(nèi)，可選用兩個22μF/6.3V陶瓷電容并聯(lián)，等效為44μF，總ESR極低。

輸入電容Cin選擇

為防止輸入電壓因大電流切換而振蕩，需選用大于22μF的輸入陶瓷電容，建議配置1個10μF + 1個47μF并聯(lián)，ESR越低越好。

七、PCB設(shè)計注意事項

在設(shè)計基于TPS562201芯片的DC-DC降壓電源電路時，PCB布局和布線的合理設(shè)計是確保電路性能和穩(wěn)定性的重要因素。良好的PCB設(shè)計不僅可以提高系統(tǒng)的效率和可靠性，還能有效減少電磁干擾（EMI）以及其他外部不必要的影響。以下是一些關(guān)鍵的PCB設(shè)計注意事項，幫助優(yōu)化電源電路的性能。

SW節(jié)點的布線設(shè)計非常重要。SW節(jié)點是電源開關(guān)的核心位置，其電流變化快速且幅度較大，因此，其布線必須盡量簡短且粗大。布線過長會增加回路的寄生電感，這會導(dǎo)致開關(guān)信號的反射和產(chǎn)生不必要的噪聲，增加電磁干擾。為了減小高頻信號傳播的輻射和抑制開關(guān)噪聲，SW信號線的布線應(yīng)該盡可能直接，避免過多的彎曲和繞行其他敏感區(qū)域。此外，還要避免將SW信號線與高頻信號線或電源線相交，以免干擾其他電路。

輸出電感和電容的位置要靠近芯片，以形成緊湊的回路。在電源設(shè)計中，電感和電容的布局至關(guān)重要，它們決定了電流回路的有效性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。輸出電感通常用來存儲磁能，輸出電容則幫助平滑輸出電壓。將這些元件緊密布置在芯片附近，有助于減少電流環(huán)路的面積，進(jìn)而降低回路中的寄生電感和電阻。這種緊湊布局還能夠減少電磁輻射，提高電源的抗干擾能力，從而提升系統(tǒng)的整體性能。

GND層的設(shè)計至關(guān)重要。地面回路是電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)，而GND的布局和布線直接影響到電源的工作穩(wěn)定性和電磁兼容性（EMC）。建議在PCB設(shè)計中采用大面積的銅皮區(qū)域作為地面層，這不僅有助于降低系統(tǒng)的電阻，還能顯著提升散熱性能。一個良好的GND設(shè)計能夠提供一個低阻抗的電流回流路徑，避免由高頻噪聲引發(fā)的干擾問題。特別是在高頻開關(guān)模式下，GND層的質(zhì)量會直接影響到電源的噪聲抑制能力。如果GND回路不連續(xù)或電流路徑不閉合，可能導(dǎo)致電源不穩(wěn)定或出現(xiàn)異常的EMI問題。因此，地面層的布線應(yīng)盡量保持連續(xù)，并且避免GND線過長，以防止引入額外的噪聲。

Cin電容的布局位置也需要特別注意。Cin電容是輸入端的重要濾波元件，負(fù)責(zé)在電源開啟瞬間提供穩(wěn)定的電壓，并抑制輸入電源的瞬態(tài)噪聲。在設(shè)計時，Cin應(yīng)盡可能靠近VIN引腳和GND之間布局，以降低電源輸入端的電壓波動。如果Cin電容布局不當(dāng)，可能會導(dǎo)致電源不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)電壓振蕩。為了防止電路發(fā)生振蕩現(xiàn)象，Cin電容的引腳與電源輸入端的連接線應(yīng)盡量短，減少不必要的寄生電感和電阻，確保電容能夠迅速響應(yīng)輸入電壓變化，提供足夠的能量補償。

FB引腳的布線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離SW節(jié)點。FB（反饋）引腳用于監(jiān)測輸出電壓并調(diào)節(jié)芯片的工作狀態(tài)。為了確保準(zhǔn)確的反饋信號傳輸，F(xiàn)B引腳的布線應(yīng)盡量保持短小且遠(yuǎn)離高頻開關(guān)節(jié)點（如SW節(jié)點）。SW節(jié)點的高頻噪聲可能會通過布線對FB引腳產(chǎn)生干擾，影響反饋信號的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，F(xiàn)B引腳的布線應(yīng)盡量避免與SW信號線平行走線，且避免與其他高頻信號線交叉，以減少噪聲干擾和反饋失真。

BOOT電容應(yīng)盡量靠近芯片的引腳布局。在TPS562201芯片的開關(guān)控制中，BOOT引腳為自舉電容提供電壓，支持高側(cè)MOSFET的驅(qū)動。如果BOOT電容布置過遠(yuǎn)或連接不良，會導(dǎo)致自舉電壓不穩(wěn)定，從而影響MOSFET的驅(qū)動效率，進(jìn)而影響整個電源的工作狀態(tài)。因此，BOOT電容應(yīng)該盡量靠近芯片的BOOT引腳，以減少連接線路的寄生電感，確保高側(cè)開關(guān)管的正常驅(qū)動，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

良好的PCB設(shè)計對于提高TPS562201芯片降壓電源的工作效率、穩(wěn)定性以及電磁兼容性至關(guān)重要。在設(shè)計過程中，必須遵循合理的布線原則，確保各個關(guān)鍵元件的位置和布局合理，減少不必要的電磁干擾，并提高系統(tǒng)的抗干擾能力。通過對SW節(jié)點、輸出電感、電容、GND層、FB引腳以及BOOT電容等關(guān)鍵部件的優(yōu)化布局，可以有效提高電源系統(tǒng)的性能，并確保產(chǎn)品能夠通過相關(guān)的EMC測試，滿足工業(yè)和消費級應(yīng)用的要求。

在TPS562201芯片的DC-DC降壓電路設(shè)計中，電磁干擾（EMI）問題是不可忽視的重要考量之一。由于開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，其開關(guān)節(jié)點（SW）在每次導(dǎo)通和關(guān)斷之間會產(chǎn)生極高的dV/dt和dI/dt，從而成為潛在的強烈干擾源。為了確保整個系統(tǒng)的電磁兼容性，并避免干擾系統(tǒng)內(nèi)外其他敏感器件的正常運行，在設(shè)計過程中應(yīng)采取一系列有效的EMI優(yōu)化措施。以下將從多個方面展開分析，提出詳細(xì)而系統(tǒng)的設(shè)計建議，以最大限度地抑制EMI問題。

SW節(jié)點的布線設(shè)計至關(guān)重要。由于該節(jié)點在電源芯片內(nèi)部直接與開關(guān)管相連，是高頻切換最劇烈的位置，因此它的布線必須嚴(yán)格控制范圍和路徑，推薦采用閉環(huán)布局方式。所謂閉環(huán)布線，是指將與SW節(jié)點相關(guān)的元件（如電感、輸出電容）在物理布局上圍繞芯片緊密排布，形成最小面積的電流回路。這種布局方式可以有效減小開關(guān)節(jié)點形成的輻射環(huán)路面積，減少高頻信號在布線上傳播，從而降低對周邊電路造成的輻射干擾。此外，應(yīng)避免將SW走線拉得太長或穿越其他敏感電路區(qū)域，這樣容易引入串?dāng)_和干擾傳播路徑。

輸入電容與輸出電容的布局也對EMI表現(xiàn)有重要影響。輸入電容建議緊貼芯片VIN和GND引腳布置，其主要作用是在開關(guān)切換瞬間為芯片提供穩(wěn)定的電流補償，減少電源軌上的電壓跌落和尖峰電壓。如果輸入電容距離過遠(yuǎn)，會導(dǎo)致輸入電源線上產(chǎn)生尖峰脈沖，進(jìn)而輻射干擾信號。輸出電容則應(yīng)盡量靠近電感和芯片的VOUT端，以最小化輸出電流回路面積，減少輻射噪聲的形成。良好的電容布局不僅有助于提升轉(zhuǎn)換效率，還能顯著降低高頻噪聲。

磁性元件的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)。對于電感器的選型，應(yīng)優(yōu)先考慮具有屏蔽結(jié)構(gòu)的繞線電感，這類電感通常在磁芯外部封裝有金屬或鐵氧體磁屏蔽材料，可有效抑制磁場向外泄露，避免磁通干擾周圍器件。而使用非屏蔽型電感時，其輻射磁場會在PCB上形成干擾回路，增加系統(tǒng)的電磁發(fā)射水平。此外，屏蔽電感還有助于提高抗干擾能力，使系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定運行。

PCB布局應(yīng)當(dāng)注重輸入輸出電流路徑的閉合和對稱性。在高頻電源電路中，電流路徑構(gòu)成的回路面積直接影響到系統(tǒng)的EMI水平。因此，應(yīng)確保輸入電流從電容引入芯片，再從GND腳流回電容的路徑最短，形成緊湊而閉合的回路。輸出回路也應(yīng)遵循同樣的原則。若布線不對稱、路徑過長或者回路過大，會形成較大的環(huán)面積，導(dǎo)致環(huán)路電感上升，從而引起更強的電磁輻射。采用多層板結(jié)構(gòu)，并在芯片下方布置完整的接地層，可進(jìn)一步壓低回路阻抗，增強對高頻噪聲的屏蔽能力。

在輸入端加入串聯(lián)小阻值電感也是一種有效的EMI抑制手段。這種串聯(lián)電感一般取值在幾微亨至十幾微亨之間，能夠在高頻下提供較高的阻抗，對高頻噪聲形成衰減作用。與之配合的還有旁路電容，在LC濾波器的構(gòu)成下，共同抑制從外部電源傳導(dǎo)過來的噪聲信號，也阻止電源芯片自身的高頻干擾向電源網(wǎng)絡(luò)回傳。不過需要注意的是，電感的選擇必須權(quán)衡體積、阻抗和直流電阻，避免因過高的DCR影響系統(tǒng)效率。

在電路的輸入輸出兩端適當(dāng)加入瞬態(tài)電壓抑制器件（TVS）也是抑制電磁干擾的關(guān)鍵措施之一。TVS二極管是一種高響應(yīng)速度、高浪涌吸收能力的保護(hù)元件，可以在微秒級別快速鉗位高壓浪涌，避免電路受到尖峰電壓沖擊。在TPS562201電源系統(tǒng)中，TVS可以有效保護(hù)芯片免受浪涌、電擊等異常信號影響，同時在某種程度上也能抑制突變信號形成的電磁干擾。TVS器件應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)工作電壓和最大浪涌電流合理選型，以保證正常工作狀態(tài)下不導(dǎo)通，而在異常瞬態(tài)下能夠快速反應(yīng)。

十、實驗驗證與性能評估

實驗條件設(shè)定

• 輸入電壓：12V（DC電源）

• 負(fù)載范圍：0A~3A

• 環(huán)境溫度：25℃室溫

• 測試項目：輸出電壓精度、輸出紋波、瞬態(tài)響應(yīng)、效率曲線、熱成像

關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄

• 輸出電壓穩(wěn)定在3.31V ± 0.01V范圍內(nèi)；

• 輕載時輸出紋波<10mVpp，全載最大為26mVpp；

• 負(fù)載躍變從0.5A到3A時，響應(yīng)時間<80μs，電壓下降最大約60mV；

• 整體效率在1.5A時約為91%，滿載3A時約為87%；

• 熱成像顯示芯片熱點區(qū)域在滿載下約為68℃。

由此可見，該設(shè)計在性能、穩(wěn)定性和熱管理方面均表現(xiàn)優(yōu)秀。

十一、實際應(yīng)用實例

嵌入式開發(fā)板供電

在ARM、RISC-V等MCU開發(fā)板中，通常主控工作電壓為3.3V，外部提供12V電源，此時可將TPS562201作為主降壓芯片直接提供核心電壓。

工業(yè)傳感器節(jié)點供電

多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場傳感器或通信模塊需長距離布線，12V傳輸可降低損耗，端部再使用該芯片實現(xiàn)3.3V供電，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

汽車輔助模塊電源

汽車車載電源常為12V系統(tǒng)，TPS562201可直接將其轉(zhuǎn)換為3.3V用于MCU或傳感器模塊供電，體積小，耐壓高，適合此類應(yīng)用。

十二、總結(jié)

TPS562201是一款高性價比、功能全面、應(yīng)用靈活的同步降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，在“12V輸入轉(zhuǎn)3.3V輸出”的典型應(yīng)用場景中表現(xiàn)尤為出色。其優(yōu)秀的電壓轉(zhuǎn)換效率、寬工作電壓范圍、集成度高以及出色的熱保護(hù)機(jī)制，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、通信及嵌入式設(shè)備等領(lǐng)域。

本文詳細(xì)分析了其工作原理、電路設(shè)計、參數(shù)計算、PCB布局、電磁兼容、熱設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)等多個方面，展示了TPS562201在降壓電源設(shè)計中的強大能力與廣泛適用性。