TPS63020中文芯片手冊：高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器深度解析

1. 概述

TPS63020 是一款由德州儀器（Texas Instruments, TI）推出的高性能、高效率的降壓-升壓（Buck-Boost）直流-直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器。它專為單節(jié)或多節(jié)電池供電的應(yīng)用而設(shè)計，能夠有效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓，無論輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓，都能保持高效工作。其卓越的性能使其成為各種便攜式電子設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備中電源管理的關(guān)鍵組件。

TPS63020 的核心優(yōu)勢在于其獨(dú)特的降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的控制算法。它采用四開關(guān)同步整流技術(shù)，最大限度地減少了功率損耗，從而在整個輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96%的轉(zhuǎn)換效率。這對于電池供電設(shè)備尤為重要，因?yàn)樗茱@著延長電池續(xù)航時間。此外，該芯片還集成了多種保護(hù)功能，包括過流保護(hù)、過溫保護(hù)和欠壓鎖定，確保了系統(tǒng)在各種工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

該轉(zhuǎn)換器支持寬輸入電壓范圍，通常為1.8V至5.5V，使其能夠兼容多種電池類型，如單節(jié)鋰離子電池、兩節(jié)或三節(jié)堿性電池、鎳氫電池等。其輸出電壓可編程調(diào)節(jié)，范圍從1.2V到5.5V，為設(shè)計者提供了極大的靈活性，以滿足不同負(fù)載的電壓需求。無論是為微控制器、無線模塊、顯示屏還是其他數(shù)字或模擬電路供電，TPS63020 都能提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。

除了高效率和寬電壓范圍，TPS63020 還具備小巧的封裝尺寸，通常采用2.5mm x 2.5mm的14引腳QFN封裝，這使得它非常適合空間受限的應(yīng)用。其內(nèi)部集成的功率開關(guān)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)也簡化了外部元件的數(shù)量，進(jìn)一步縮小了PCB面積并降低了整體系統(tǒng)成本。對于追求高性能、高效率和緊湊設(shè)計的工程師而言，TPS63020 無疑是一個理想的選擇。

2. 主要特性

TPS63020 憑借其一系列卓越的特性，在電源管理領(lǐng)域脫穎而出，為各種應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。這些特性不僅提升了轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，還簡化了設(shè)計過程，并適應(yīng)了多樣化的工作環(huán)境。

2.1 高達(dá)96%的效率

TPS63020 的最顯著特點(diǎn)之一是其卓越的轉(zhuǎn)換效率，在某些工作條件下可高達(dá)96%。這種高效率得益于其先進(jìn)的控制算法和同步整流技術(shù)。傳統(tǒng)的非同步轉(zhuǎn)換器需要使用外部肖特基二極管進(jìn)行整流，這會在二極管上產(chǎn)生顯著的壓降，從而導(dǎo)致能量損耗。而TPS63020 采用內(nèi)部集成的低導(dǎo)通電阻（low-RDS(on)）MOSFET作為同步整流開關(guān)，有效降低了導(dǎo)通損耗。這意味著在將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓的過程中，芯片本身消耗的能量極少，大部分能量都被有效傳輸?shù)截?fù)載端。對于電池供電的便攜式設(shè)備而言，高效率直接轉(zhuǎn)化為更長的電池續(xù)航時間，從而提升了用戶體驗(yàn)。在低功耗模式下，其效率依然保持較高水平，確保了整個負(fù)載范圍內(nèi)的能源優(yōu)化。

2.2 寬輸入電壓范圍

該芯片支持1.8V至5.5V的寬輸入電壓范圍。這一特性使其能夠靈活地適應(yīng)多種電源輸入，包括但不限于：

• 單節(jié)鋰離子電池或鋰聚合物電池：這些電池的電壓通常在2.8V到4.2V之間波動，TPS63020 可以完美地處理這種電壓變化。

• 兩節(jié)或三節(jié)堿性電池/鎳氫電池：這些電池的標(biāo)稱電壓分別為1.5V和1.2V，總電壓可能在2.0V到4.5V之間，TPS63020 能夠在此范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

• USB供電：USB端口通常提供5V電壓，TPS63020 可以直接從USB端口取電并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

• 其他低壓電源：如3.3V或5V的穩(wěn)壓電源。

寬輸入電壓范圍極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計，因?yàn)橥粋€芯片可以用于不同電源配置的產(chǎn)品，減少了物料清單（BOM）的復(fù)雜性。

2.3 可調(diào)輸出電壓

TPS63020 的輸出電壓可以通過外部電阻分壓器進(jìn)行編程，范圍從1.2V到5.5V。這種靈活性使得設(shè)計者可以根據(jù)特定應(yīng)用的電壓需求精確設(shè)置輸出電壓。無論是為3.3V的微控制器供電，還是為5V的USB外設(shè)供電，亦或是為其他需要特定電壓的組件供電，TPS63020 都能輕松勝任。這種可編程性也使得該芯片適用于多種產(chǎn)品平臺，無需為每種電壓需求重新設(shè)計電源方案。

2.4 自動降壓-升壓模式切換

TPS63020 最強(qiáng)大的特性之一是其在降壓、升壓和降壓-升壓（旁路）模式之間無縫自動切換的能力。這意味著無論輸入電壓相對于目標(biāo)輸出電壓是高、低還是接近，芯片都能自動選擇最合適的模式來維持穩(wěn)定的輸出電壓。

• 當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時，芯片進(jìn)入降壓模式。

• 當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時，芯片進(jìn)入升壓模式。

• 當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，芯片進(jìn)入降壓-升壓模式，此時四個開關(guān)都在工作，以確保電壓的平穩(wěn)過渡和高效率。

這種自動切換功能確保了在整個輸入電壓范圍內(nèi)輸出電壓的穩(wěn)定性和高效率，無需外部控制邏輯，極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

2.5 高達(dá)2A的輸出電流能力

TPS63020 能夠提供高達(dá)2A的連續(xù)輸出電流（在升壓模式下，具體電流能力取決于輸入電壓、輸出電壓和電感值）。這一高電流能力使其能夠支持需要較大電流的負(fù)載，如高性能處理器、LED驅(qū)動器、RF模塊等。在降壓模式下，其電流能力通常更高。高電流輸出能力意味著設(shè)計者無需使用多個并聯(lián)的低電流轉(zhuǎn)換器，從而節(jié)省了PCB空間和成本。

2.6 功率節(jié)省模式

為了在輕負(fù)載條件下保持高效率，TPS63020 集成了功率節(jié)省模式（Power Save Mode, PSM）。在輕負(fù)載或空載條件下，芯片會自動進(jìn)入PSM，通過降低開關(guān)頻率和跳過部分開關(guān)周期來減少靜態(tài)電流消耗。這顯著降低了芯片在待機(jī)或低功耗狀態(tài)下的總功耗，進(jìn)一步延長了電池壽命。當(dāng)負(fù)載增加時，芯片會自動切換回固定頻率的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式，以提供更穩(wěn)定的輸出電壓和更高的電流能力。用戶也可以通過EN/MODE引腳選擇強(qiáng)制PWM模式，以在整個負(fù)載范圍內(nèi)保持固定頻率操作，這對于對噪聲敏感的應(yīng)用非常有用。

2.7 強(qiáng)制PWM模式選項(xiàng)

除了自動功率節(jié)省模式外，TPS63020 還提供了一個強(qiáng)制PWM模式選項(xiàng)。通過將EN/MODE引腳設(shè)置為高電平，芯片將始終在固定頻率的PWM模式下工作，無論負(fù)載大小。這對于那些對輸出紋波和開關(guān)噪聲敏感的應(yīng)用非常有用，例如音頻電路、射頻（RF）電路或精密模擬電路。在強(qiáng)制PWM模式下，盡管輕負(fù)載效率可能略低于功率節(jié)省模式，但輸出電壓紋波更小，開關(guān)噪聲更可預(yù)測，有助于系統(tǒng)滿足嚴(yán)格的EMC（電磁兼容性）要求。

2.8 外部同步功能

TPS63020 支持外部時鐘同步功能。這意味著可以將多個TPS63020 芯片的開關(guān)頻率同步到同一個外部時鐘源，或者將其與其他開關(guān)電源的開關(guān)頻率進(jìn)行同步。外部同步功能在以下場景中非常有用：

• 多電源系統(tǒng)：通過同步多個電源的開關(guān)頻率，可以避免不同電源之間產(chǎn)生拍頻干擾，從而降低整個系統(tǒng)的噪聲。

• 噪聲敏感應(yīng)用：將開關(guān)頻率同步到已知頻率，可以更容易地濾除開關(guān)噪聲，或者將其移出敏感頻段。

• 優(yōu)化EMI性能：通過精確控制開關(guān)事件的時序，有助于優(yōu)化系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。

2.9 欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定（Under-Voltage Lockout, UVLO）是一種重要的保護(hù)功能，用于監(jiān)測輸入電壓。當(dāng)輸入電壓低于預(yù)設(shè)的閾值時，TPS63020 會自動關(guān)閉，以防止芯片在輸入電壓過低時不穩(wěn)定工作或損壞。這可以保護(hù)連接到轉(zhuǎn)換器的負(fù)載，并確保系統(tǒng)在電池電壓過低時不會發(fā)生異常行為。一旦輸入電壓恢復(fù)到UVLO閾值以上，芯片將自動重新啟動。

2.10 過溫保護(hù)

TPS63020 內(nèi)置了過溫保護(hù)（Thermal Shutdown, TSD）功能。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過預(yù)設(shè)的閾值（通常為150°C至170°C）時，芯片會自動關(guān)閉，以防止因過熱而損壞。一旦溫度降至安全范圍，芯片將自動重新啟動。這項(xiàng)功能在極端工作條件或散熱不良的情況下，為芯片和整個系統(tǒng)提供了額外的保護(hù)層。

2.11 短路保護(hù)/過流保護(hù)

該芯片還集成了短路保護(hù)和過流保護(hù)功能。當(dāng)輸出端發(fā)生短路或負(fù)載電流超過內(nèi)部設(shè)定的最大限制時，芯片會限制輸出電流或進(jìn)入打嗝模式（Hiccup Mode），以防止過大的電流損壞芯片或外部元件。這大大提高了系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。

2.12 小尺寸QFN封裝

TPS63020 采用2.5mm x 2.5mm的14引腳QFN封裝。這種緊湊的封裝尺寸使得該芯片非常適合空間受限的便攜式應(yīng)用，如智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等。小尺寸封裝不僅節(jié)省了PCB面積，還有助于降低整體系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

3. 工作原理

TPS63020 是一款基于脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）的同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其核心在于能夠根據(jù)輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系，在三種工作模式之間無縫切換：降壓模式、升壓模式和降壓-升壓模式。這種自適應(yīng)的工作方式確保了在整個輸入電壓范圍內(nèi)的高效率和穩(wěn)定的輸出電壓。

3.1 降壓模式（Buck Mode）

當(dāng)輸入電壓（V_IN）高于輸出電壓（V_OUT）時，TPS63020 進(jìn)入降壓模式。在這種模式下，芯片主要通過控制內(nèi)部的兩個高側(cè)和低側(cè)開關(guān)（通常是S1和S2）來實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。

工作流程：

1. 開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷：輸入電壓通過電感L和高側(cè)開關(guān)S1向輸出電容C_OUT和負(fù)載供電。電感電流線性上升，能量儲存在電感中。

2. 開關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通：高側(cè)開關(guān)S1關(guān)斷，低側(cè)開關(guān)S2導(dǎo)通。此時，電感中的能量通過S2和輸出電容向負(fù)載釋放。電感電流線性下降。

3. 周期重復(fù)：通過調(diào)節(jié)S1的導(dǎo)通時間（即PWM占空比），可以精確控制輸出電壓。

由于采用了同步整流（即S2也是一個MOSFET而不是二極管），相比于非同步降壓轉(zhuǎn)換器，能量損耗顯著降低，從而提高了效率。

3.2 升壓模式（Boost Mode）

當(dāng)輸入電壓（V_IN）低于輸出電壓（V_OUT）時，TPS63020 進(jìn)入升壓模式。在這種模式下，芯片主要通過控制內(nèi)部的另外兩個開關(guān)（通常是S3和S4）來實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換。

工作流程：

1. 開關(guān)S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷：輸入電壓通過電感L和低側(cè)開關(guān)S3將能量儲存在電感中。電感電流線性上升。此時，輸出電容C_OUT獨(dú)立地向負(fù)載供電。

2. 開關(guān)S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通：低側(cè)開關(guān)S3關(guān)斷，高側(cè)開關(guān)S4導(dǎo)通。此時，電感中儲存的能量與輸入電壓疊加，通過S4向輸出電容C_OUT和負(fù)載供電。電感電流線性下降。

3. 周期重復(fù)：通過調(diào)節(jié)S3的導(dǎo)通時間（即PWM占空比），可以精確控制輸出電壓。

與降壓模式類似，升壓模式也采用同步整流（S4是MOSFET），以最大化效率。

3.3 降壓-升壓模式（Buck-Boost Mode）

當(dāng)輸入電壓（V_IN）接近或等于輸出電壓（V_OUT）時，TPS63020 進(jìn)入降壓-升壓模式。這是該芯片最獨(dú)特和強(qiáng)大的工作模式，它同時利用了四個內(nèi)部開關(guān)（S1、S2、S3、S4）來維持輸出電壓的穩(wěn)定。這種模式確保了在輸入電壓穿越輸出電壓點(diǎn)時，轉(zhuǎn)換器能夠平穩(wěn)過渡，并且在整個轉(zhuǎn)換過程中保持高效率。

工作流程：降壓-升壓模式可以看作是降壓和升壓模式的組合。在每個開關(guān)周期內(nèi)，四個開關(guān)都會按照特定的時序進(jìn)行切換，以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動和輸出電壓的精確調(diào)節(jié)。

• 階段一（能量儲存）：S1和S3導(dǎo)通，S2和S4關(guān)斷。輸入電壓通過S1和S3同時向電感L充電，電感電流上升。

• 階段二（能量釋放）：S1和S3關(guān)斷，S2和S4導(dǎo)通。電感中儲存的能量通過S2和S4釋放到輸出端，同時輸入電壓也可能通過S1/S4路徑向輸出供電。

通過精確控制這四個開關(guān)的占空比和時序，TPS63020 能夠在輸入電壓與輸出電壓非常接近時，仍然提供穩(wěn)定的輸出，并保持高效率。這種模式消除了傳統(tǒng)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器在輸入電壓接近輸出電壓時效率急劇下降的問題。

3.4 自動模式切換

TPS63020 內(nèi)部集成了一個智能控制邏輯，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸入電壓和輸出電壓，并根據(jù)它們的相對關(guān)系自動選擇最佳的工作模式（降壓、升壓或降壓-升壓）。這種自動切換是無縫的，用戶無需進(jìn)行任何干預(yù)，也幾乎不會對輸出電壓產(chǎn)生瞬態(tài)影響。這種自適應(yīng)能力是TPS63020 能夠?qū)崿F(xiàn)寬輸入電壓范圍高效轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

3.5 控制環(huán)路

TPS63020 采用固定頻率的PWM控制（在強(qiáng)制PWM模式下）或脈沖頻率調(diào)制/脈沖跳躍控制（在功率節(jié)省模式下）來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓。

• PWM模式：在重負(fù)載條件下，芯片工作在固定頻率（通常為2.4MHz）的PWM模式下。內(nèi)部誤差放大器將輸出電壓反饋與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個誤差信號。這個誤差信號被送入PWM比較器，與一個斜坡信號進(jìn)行比較，從而生成控制功率開關(guān)的PWM信號。通過調(diào)節(jié)PWM占空比，可以精確控制傳遞到輸出端的能量。

• 功率節(jié)省模式（PSM）：在輕負(fù)載條件下，芯片進(jìn)入PSM。此時，開關(guān)頻率會降低，并且可能會跳過一些開關(guān)周期。當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限閾值時，開關(guān)停止工作，直到輸出電壓下降到下限閾值時才重新開始開關(guān)。這種“打嗝”式的工作方式顯著降低了輕負(fù)載時的靜態(tài)電流消耗，從而提高了效率。

無論是哪種模式，控制環(huán)路都旨在快速響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)變化和輸入電壓波動，以確保輸出電壓的穩(wěn)定性和精度。

4. 引腳配置和功能

TPS63020 通常采用緊湊的14引腳QFN封裝。理解每個引腳的功能對于正確設(shè)計和布局至關(guān)重要。

4.1 引腳圖（示意）

      +-----------------+
      |                 |
   VIN|1               14|PGND
   SW1|2               13|SW2
   SW3|3               12|SW4
   GND|4               11|VOUT
   FB |5               10|EN/MODE
   SYNC|6               9|NC
   NC |7               8|NC
      +-----------------+

注意：此為示意圖，實(shí)際引腳排列請參考官方數(shù)據(jù)手冊。

4.2 引腳功能描述

以下是TPS63020 各個引腳的詳細(xì)功能描述：

引腳1：VIN (Input Voltage)

• 功能：電源輸入引腳。這是芯片的主電源輸入，通常連接到電池或其他電源。

• 注意事項(xiàng)：為了確保芯片的穩(wěn)定工作和降低輸入紋波，建議在此引腳和GND之間放置一個低ESR（等效串聯(lián)電阻）的陶瓷輸入電容，其容量通常在10μF或更大。輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN引腳放置。

引腳2：SW1 (Switch 1)引腳3：SW3 (Switch 3)引腳13：SW2 (Switch 2)引腳12：SW4 (Switch 4)

• 功能：這些是內(nèi)部功率開關(guān)的連接點(diǎn)，用于連接外部電感。SW1和SW2通常用于降壓模式，SW3和SW4通常用于升壓模式。在降壓-升壓模式下，所有四個開關(guān)協(xié)同工作。

• 注意事項(xiàng)：這些引腳是高電流開關(guān)節(jié)點(diǎn)，布局時應(yīng)盡量縮短與電感的連接路徑，并確保這些路徑具有較低的阻抗，以減少開關(guān)損耗和EMI。

引腳4：GND (Ground)

• 功能：芯片的模擬和功率地。

• 注意事項(xiàng)：GND引腳應(yīng)通過低阻抗路徑連接到PCB的公共地平面。為了獲得最佳性能，應(yīng)將模擬地和功率地在單點(diǎn)連接，并確保功率地路徑能夠處理大電流。

引腳5：FB (Feedback)

• 功能：反饋引腳。該引腳連接到外部電阻分壓器，用于設(shè)置和調(diào)節(jié)輸出電壓。芯片內(nèi)部的誤差放大器通過監(jiān)測FB引腳的電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓，使其穩(wěn)定在內(nèi)部參考電壓（通常為500mV）上。

• 注意事項(xiàng)：反饋分壓電阻應(yīng)盡可能靠近FB引腳放置，并且走線應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲源，以避免噪聲耦合到反饋路徑，影響輸出電壓的穩(wěn)定性。

引腳6：SYNC (Synchronization)

• 功能：外部時鐘同步引腳。該引腳允許用戶將TPS63020 的開關(guān)頻率與外部時鐘信號同步。當(dāng)有外部時鐘信號輸入時，芯片將鎖定到外部時鐘頻率。

• 注意事項(xiàng)：如果不需要外部同步功能，該引腳可以懸空或連接到GND。如果使用外部同步，外部時鐘信號的頻率應(yīng)在芯片支持的范圍內(nèi)。

引腳7, 8, 9：NC (No Connect)

• 功能：這些引腳是未連接的。

• 注意事項(xiàng)：這些引腳可以懸空，但為了增強(qiáng)散熱，通常建議將這些NC引腳連接到GND平面。

引腳10：EN/MODE (Enable/Mode Select)

• 功能：使能和模式選擇引腳。

• 高電平（>1.2V）：芯片使能，并強(qiáng)制工作在固定頻率的PWM模式。

• 低電平（<0.3V）：芯片禁用（關(guān)斷），進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

• 中等電平（0.3V < V_EN/MODE < 1.2V）：芯片使能，并工作在自動模式切換（PWM/PSM）模式，即輕負(fù)載時進(jìn)入功率節(jié)省模式。

• 注意事項(xiàng)：該引腳可以連接到微控制器的GPIO，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制。如果需要始終使能并在自動模式下工作，可以將其通過一個電阻分壓器連接到VIN，使其電壓處于中等電平。

引腳11：VOUT (Output Voltage)

• 功能：電源輸出引腳。這是轉(zhuǎn)換器輸出的穩(wěn)壓電壓。

• 注意事項(xiàng)：為了降低輸出紋波并確保負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，建議在此引腳和GND之間放置一個低ESR的陶瓷輸出電容，其容量通常在10μF或更大。輸出電容應(yīng)盡可能靠近VOUT引腳放置。

引腳14：PGND (Power Ground)

• 功能：功率地引腳。這是內(nèi)部功率開關(guān)的公共地連接。

• 注意事項(xiàng)：PGND應(yīng)通過寬而短的走線連接到GND平面，以處理大電流并減少寄生電感。

5. 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了器件在不發(fā)生永久性損壞的情況下可以承受的極限條件。在任何情況下，器件都不應(yīng)在這些最大額定值下長時間工作，否則可能會導(dǎo)致器件性能下降或永久性損壞。

• VIN 輸入電壓：-0.3V 至 6V

• 此為輸入電源引腳VIN能夠承受的電壓范圍。超過此范圍可能導(dǎo)致內(nèi)部電路擊穿。

• VOUT 輸出電壓：-0.3V 至 6V

• 此為輸出引腳VOUT能夠承受的電壓范圍。即使在芯片未工作時，外部電壓也不應(yīng)超過此限制。

• SW1, SW2, SW3, SW4 開關(guān)引腳電壓：-0.3V 至 6V

• 這些是連接電感的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。在開關(guān)過程中，這些節(jié)點(diǎn)的電壓會快速變化，但峰值電壓不應(yīng)超出此范圍。

• FB, SYNC, EN/MODE 引腳電壓：-0.3V 至 6V

• 這些是控制和反饋引腳。輸入到這些引腳的信號電壓應(yīng)在此范圍內(nèi)。

• 結(jié)溫（Junction Temperature, T_J）：-40°C 至 150°C

• 這是芯片內(nèi)部半導(dǎo)體結(jié)的最高允許溫度。長時間超過此溫度可能導(dǎo)致器件性能下降或損壞。

• 存儲溫度范圍：-65°C 至 150°C

• 這是芯片在非工作狀態(tài)下可以安全存儲的溫度范圍。

• ESD額定值（HBM）：2kV

• 人體模型（Human Body Model, HBM）靜電放電耐受能力。表示器件在接觸人體靜電時的抗損壞能力。

• ESD額定值（CDM）：500V

• 充電器件模型（Charged Device Model, CDM）靜電放電耐受能力。表示器件在自身帶電后接觸接地物體時的抗損壞能力。

重要提示：

• 在推薦工作條件之外的任何操作都可能導(dǎo)致器件的永久性損壞。

• 長時間在絕對最大額定值附近工作可能會影響器件的可靠性。

• 所有電壓值均相對于GND引腳。

6. 推薦工作條件

推薦工作條件定義了器件在正常工作并保證其電氣性能參數(shù)的范圍。在這些條件下操作可以確保器件的長期可靠性和最佳性能。

• 輸入電壓范圍（V_IN）：1.8V 至 5.5V

• 這是TPS63020 正常工作的輸入電壓范圍。在此范圍內(nèi)，芯片能夠穩(wěn)定地提供輸出電壓。

• 輸出電壓范圍（V_OUT）：1.2V 至 5.5V

• 這是TPS63020 可調(diào)節(jié)的輸出電壓范圍。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求將輸出電壓設(shè)置在此范圍內(nèi)。

• 工作結(jié)溫范圍（T_J）：-40°C 至 125°C

• 這是芯片內(nèi)部半導(dǎo)體結(jié)在正常工作時應(yīng)保持的溫度范圍。為了確保器件的可靠性和性能，設(shè)計時應(yīng)確保結(jié)溫在此范圍內(nèi)。

• 工作環(huán)境溫度范圍（T_A）：-40°C 至 85°C

• 這是芯片外部環(huán)境溫度的范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)溫通常會高于環(huán)境溫度，因此需要考慮散熱設(shè)計。

• 開關(guān)頻率（f_SW）：2.4MHz (典型值)

• 這是芯片在PWM模式下的典型開關(guān)頻率。高開關(guān)頻率允許使用更小的外部電感和電容，從而減小了整體解決方案的尺寸。

• 最大輸出電流（I_OUT）：高達(dá)2A

• 這是芯片在特定輸入/輸出電壓組合下能夠提供的最大連續(xù)輸出電流。實(shí)際最大電流能力會根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、電感值和散熱條件而變化。通常在升壓模式下，隨著輸入電壓的降低，最大輸出電流能力會下降。

注意：

• 在這些推薦工作條件范圍內(nèi)，器件的電氣特性和性能參數(shù)（如效率、輸出紋波、瞬態(tài)響應(yīng)等）均得到保證。

• 超出推薦工作條件范圍的操作可能導(dǎo)致器件性能下降，甚至永久性損壞。

7. 電氣特性

電氣特性表格詳細(xì)列出了TPS63020 在推薦工作條件下，各個關(guān)鍵參數(shù)的典型值、最小值和最大值。這些參數(shù)對于評估芯片性能和進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。

以下是一些主要電氣特性（具體數(shù)值請參考官方數(shù)據(jù)手冊，此處為典型值范圍）：

7.1 輸入電壓和電流

• 靜態(tài)電流（I_Q）：

• PWM模式下（空載）：約30μA - 50μA

• 功率節(jié)省模式下（空載）：約10μA - 25μA

• 關(guān)斷電流（I_SHUTDOWN）：約0.1μA - 1μA

• 描述：這些參數(shù)表示芯片在不同工作模式下，無負(fù)載或關(guān)斷時自身消耗的電流。靜態(tài)電流越低，電池續(xù)航時間越長。

• 欠壓鎖定閾值（V_UVLO）：

• 上升沿閾值：約1.6V - 1.8V

• 遲滯：約50mV - 100mV

• 描述：當(dāng)輸入電壓低于此閾值時，芯片會關(guān)閉；當(dāng)輸入電壓高于此閾值加上遲滯電壓時，芯片會重新啟動。

7.2 輸出電壓

• 輸出電壓范圍（V_OUT）：1.2V 至 5.5V

• 描述：通過外部電阻分壓器可設(shè)置的輸出電壓范圍。

• 輸出電壓精度：±1% - ±2%

• 描述：在推薦工作條件下，實(shí)際輸出電壓與設(shè)定輸出電壓之間的偏差。

• 輸出電壓紋波：

• PWM模式下：通常在10mV_pp - 30mV_pp (取決于負(fù)載、電容和電感)

• 功率節(jié)省模式下：可能略高，但仍在可接受范圍

• 描述：輸出電壓上的交流分量，表示輸出電壓的穩(wěn)定性。

7.3 內(nèi)部參考電壓

• 反饋參考電壓（V_FB）：約500mV ±1%

• 描述：內(nèi)部誤差放大器用于與FB引腳電壓進(jìn)行比較的參考電壓。

7.4 開關(guān)參數(shù)

• 開關(guān)頻率（f_SW）：2.4MHz (典型值)

• 描述：芯片在PWM模式下的開關(guān)頻率。

• 功率開關(guān)導(dǎo)通電阻（R_DS(on)）：

• 高側(cè)開關(guān)（S1, S4）：約50mΩ - 100mΩ

• 低側(cè)開關(guān)（S2, S3）：約50mΩ - 100mΩ

• 描述：內(nèi)部MOSFET開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻。越低意味著導(dǎo)通損耗越小，效率越高。

• 最大開關(guān)電流限制（I_LIMIT）：

• 典型值：約2.5A - 3.5A

• 描述：內(nèi)部電流限制，用于防止過流損壞。

7.5 保護(hù)功能

• 過溫關(guān)斷閾值（T_SD）：約150°C - 170°C

• 描述：芯片內(nèi)部溫度達(dá)到此閾值時，芯片將關(guān)斷。

• 過溫遲滯：約10°C - 20°C

• 描述：芯片溫度下降到此閾值以下時，芯片將重新啟動。

7.6 使能/模式控制

• EN/MODE高電平閾值：約1.2V

• 描述：EN/MODE引腳電壓高于此值時，芯片使能并強(qiáng)制PWM模式。

• EN/MODE低電平閾值：約0.3V

• 描述：EN/MODE引腳電壓低于此值時，芯片關(guān)斷。

• EN/MODE中等電平范圍：0.3V 至 1.2V

• 描述：EN/MODE引腳電壓在此范圍時，芯片使能并工作在自動PWM/PSM模式。

8. 詳細(xì)功能描述

TPS63020 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精巧，集成了多個功能模塊，共同實(shí)現(xiàn)了其高性能的降壓-升壓轉(zhuǎn)換功能。深入了解這些模塊的工作原理有助于更好地理解芯片的整體行為和優(yōu)化設(shè)計。

8.1 控制環(huán)路

TPS63020 的核心是一個精密的控制環(huán)路，它負(fù)責(zé)監(jiān)測輸出電壓并根據(jù)需要調(diào)整開關(guān)占空比，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。該控制環(huán)路通常采用電壓模式控制，并結(jié)合了電流模式控制的一些優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的環(huán)路性能。

• 誤差放大器（Error Amplifier）：這是控制環(huán)路的第一級。它將反饋引腳（FB）上的實(shí)際輸出電壓（通過外部電阻分壓器縮放后）與內(nèi)部精確的參考電壓（通常為500mV）進(jìn)行比較。比較結(jié)果是一個誤差信號，其大小和極性反映了輸出電壓與目標(biāo)值之間的偏差。

• 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（Compensation Network）：誤差放大器的輸出通常會經(jīng)過一個內(nèi)部或部分外部的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是確保控制環(huán)路的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。它通過調(diào)整環(huán)路的增益和相位來防止振蕩，并優(yōu)化對負(fù)載瞬態(tài)變化和輸入電壓波動的響應(yīng)速度。TPS63020 通常采用內(nèi)部補(bǔ)償，簡化了外部元件數(shù)量。

• PWM比較器（PWM Comparator）：補(bǔ)償后的誤差信號被送入PWM比較器。在PWM模式下，PWM比較器將誤差信號與一個內(nèi)部生成的固定頻率斜坡波形進(jìn)行比較。當(dāng)誤差信號高于斜坡波形時，控制信號導(dǎo)通功率開關(guān)；當(dāng)誤差信號低于斜坡波形時，控制信號關(guān)斷功率開關(guān)。通過這種方式，誤差信號被轉(zhuǎn)換為一個可變的占空比，從而控制傳遞到輸出端的能量。

• 振蕩器（Oscillator）：提供固定開關(guān)頻率（典型2.4MHz）的時鐘信號，用于驅(qū)動PWM比較器和內(nèi)部邏輯。高開關(guān)頻率允許使用更小的外部電感和電容，從而減小了整體解決方案的尺寸。

• 電流檢測（Current Sense）：雖然主要是電壓模式控制，但TPS63020 也集成了電流檢測功能，用于實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和優(yōu)化模式切換。它監(jiān)測流經(jīng)功率開關(guān)的電流，并將此信息反饋給控制邏輯。

8.2 功率開關(guān)

TPS63020 內(nèi)部集成了四個低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）的N溝道和P溝道MOSFET功率開關(guān)。這四個開關(guān)構(gòu)成了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的核心功率級，它們通過精確的時序控制實(shí)現(xiàn)能量的儲存和釋放。

• 降壓模式開關(guān)（Buck Switches）：通常由一個高側(cè)P溝道MOSFET（連接VIN和SW1）和一個低側(cè)N溝道MOSFET（連接SW2和GND）組成。

• 升壓模式開關(guān)（Boost Switches）：通常由一個低側(cè)N溝道MOSFET（連接VIN和SW3）和一個高側(cè)P溝道MOSFET（連接SW4和VOUT）組成。

• 同步整流：所有四個開關(guān)都采用MOSFET而非二極管，實(shí)現(xiàn)了同步整流。這意味著在開關(guān)關(guān)斷期間，電流通過另一個導(dǎo)通的MOSFET而不是二極管進(jìn)行續(xù)流。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于二極管的正向壓降，因此同步整流顯著降低了功率損耗，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。

8.3 軟啟動（Soft Start）

軟啟動功能旨在在轉(zhuǎn)換器啟動時，逐步增加輸出電壓，而不是突然達(dá)到目標(biāo)電壓。這有幾個重要的好處：

• 限制浪涌電流：在啟動時，輸出電容需要充電。如果沒有軟啟動，充電電流可能會非常大，導(dǎo)致輸入電源電壓跌落，甚至損壞輸入電源或芯片本身。軟啟動通過限制輸出電壓的上升速率來控制充電電流，從而避免了浪涌電流。

• 防止輸入電源過載：對于電池等內(nèi)阻較大的電源，浪涌電流可能導(dǎo)致電池電壓瞬間跌落，甚至觸發(fā)電池保護(hù)機(jī)制。軟啟動可以平穩(wěn)地加載輸入電源。

• 減少輸出過沖：平穩(wěn)的啟動過程有助于避免輸出電壓在啟動時出現(xiàn)過沖，從而保護(hù)連接到輸出端的敏感負(fù)載。

TPS63020 通常集成了內(nèi)部軟啟動電路，無需外部元件。軟啟動時間是固定的，通常在幾百微秒到幾毫秒之間。

8.4 保護(hù)功能

為了確保芯片和連接負(fù)載的可靠性，TPS63020 集成了多重保護(hù)機(jī)制：

• 過流保護(hù)（Overcurrent Protection, OCP）：

• 原理：芯片內(nèi)部持續(xù)監(jiān)測通過功率開關(guān)的電流。當(dāng)檢測到電流超過預(yù)設(shè)的限值時，過流保護(hù)電路會立即觸發(fā)。

• 響應(yīng)：通常，芯片會限制輸出電流，或進(jìn)入“打嗝模式”（Hiccup Mode）。在打嗝模式下，芯片會嘗試啟動，如果仍然過流，則再次關(guān)斷，如此循環(huán)。這可以有效防止芯片在短路或嚴(yán)重過載情況下?lián)p壞。

• 重要性：保護(hù)芯片本身和外部電感、負(fù)載免受過大電流的損害。

• 過溫保護(hù)（Thermal Shutdown, TSD）：

• 原理：芯片內(nèi)部集成了一個溫度傳感器，用于監(jiān)測芯片的結(jié)溫。

• 響應(yīng)：當(dāng)結(jié)溫超過預(yù)設(shè)的閾值（例如150°C）時，芯片會立即關(guān)斷所有功率開關(guān)，停止工作。

• 恢復(fù)：當(dāng)結(jié)溫下降到安全范圍（通常低于關(guān)斷閾值約10°C-20°C的遲滯）后，芯片會自動重新啟動。

• 重要性：防止芯片因過熱而永久性損壞，尤其是在散熱不良或環(huán)境溫度過高的情況下。

• 欠壓鎖定（Under-Voltage Lockout, UVLO）：

• 原理：UVLO電路持續(xù)監(jiān)測輸入電壓（VIN）。

• 響應(yīng)：當(dāng)VIN低于預(yù)設(shè)的UVLO閾值時，芯片會關(guān)閉，以防止在輸入電壓過低時出現(xiàn)不穩(wěn)定或不可預(yù)測的行為。

• 恢復(fù)：當(dāng)VIN回升到UVLO閾值加上遲滯電壓時，芯片會自動重新啟動。

• 重要性：保護(hù)芯片和負(fù)載免受輸入電壓過低時的不良影響，確保系統(tǒng)在電源電壓不足時不會發(fā)生故障。

8.5 功率節(jié)省模式（Power Save Mode, PSM）

功率節(jié)省模式是TPS63020 在輕負(fù)載或空載條件下保持高效率的關(guān)鍵。

• 工作原理：在PSM模式下，芯片不再以固定的高頻率進(jìn)行開關(guān)。相反，它會進(jìn)入一種脈沖跳躍模式。當(dāng)輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的上限閾值時，芯片會停止開關(guān)，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，此時靜態(tài)電流消耗極低。輸出電容會緩慢放電，當(dāng)輸出電壓下降到預(yù)設(shè)的下限閾值時，芯片會短暫地進(jìn)行一次或幾次開關(guān)操作，為輸出電容充電，使其電壓再次回到上限閾值，然后再次停止開關(guān)。

• 優(yōu)點(diǎn)：顯著降低了輕負(fù)載時的平均靜態(tài)電流消耗，從而延長了電池供電設(shè)備的續(xù)航時間。

• 缺點(diǎn)（相對而言）：由于開關(guān)是間歇性的，輸出電壓紋波在PSM模式下通常會略高于固定頻率PWM模式。對于對紋波非常敏感的應(yīng)用，可能需要考慮強(qiáng)制PWM模式。

• 控制：通過EN/MODE引腳可以控制芯片是否進(jìn)入PSM。當(dāng)EN/MODE引腳電壓處于中等電平范圍時，芯片自動進(jìn)入PSM；當(dāng)EN/MODE引腳電壓為高電平時，芯片強(qiáng)制工作在PWM模式。

8.6 同步功能（Synchronization）

SYNC引腳提供了將TPS63020 的開關(guān)頻率與外部時鐘信號同步的能力。

• 工作原理：當(dāng)一個外部時鐘信號（通常是方波）施加到SYNC引腳時，TPS63020 的內(nèi)部振蕩器會嘗試鎖定到外部時鐘頻率。這意味著芯片的開關(guān)事件將與外部時鐘的上升沿或下降沿對齊。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 降低系統(tǒng)噪聲：在包含多個開關(guān)電源的系統(tǒng)中，同步它們可以避免不同頻率之間的拍頻干擾，從而降低整體系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）。

• 簡化濾波設(shè)計：將開關(guān)噪聲集中到一個已知頻率上，可以更容易地設(shè)計濾波電路來抑制噪聲。

• 避免敏感頻段：如果系統(tǒng)中有對特定頻率敏感的電路（如音頻或RF），可以將開關(guān)頻率同步到這些敏感頻段之外，以避免干擾。

• 注意事項(xiàng)：外部同步信號的頻率必須在TPS63020 支持的同步頻率范圍內(nèi)。如果不需要同步，SYNC引腳可以懸空或連接到GND。

9. 應(yīng)用信息

成功設(shè)計基于TPS63020 的電源轉(zhuǎn)換電路需要仔細(xì)選擇外部元件并進(jìn)行合理的PCB布局。以下是關(guān)鍵的應(yīng)用設(shè)計指導(dǎo)。

9.1 輸入和輸出電容器選擇

輸入和輸出電容器是降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中至關(guān)重要的外部元件，它們對電路的性能、穩(wěn)定性、紋波和瞬態(tài)響應(yīng)有著直接影響。

• 類型：強(qiáng)烈推薦使用低ESR（等效串聯(lián)電阻）的陶瓷電容器。陶瓷電容器具有低ESR、低ESL（等效串聯(lián)電感）和良好的頻率響應(yīng)特性，非常適合高頻開關(guān)電源。X5R或X7R介質(zhì)的陶瓷電容器是理想選擇，因?yàn)樗鼈冊趯挏囟确秶鷥?nèi)具有相對穩(wěn)定的容量。

• 輸入電容器（C_IN）：

• 作用：輸入電容器的主要作用是平滑輸入電壓紋波，提供瞬態(tài)電流，以及吸收開關(guān)動作產(chǎn)生的紋波電流。

• 容量：通常建議使用至少10μF的輸入電容。對于需要更高電流或更寬輸入電壓范圍的應(yīng)用，可能需要更大的容量（如22μF或47μF）。多個并聯(lián)的較小電容可以降低總ESR和ESL，從而獲得更好的性能。

• 電壓額定值：電容器的電壓額定值應(yīng)至少是最大輸入電壓的1.5倍，以確?？煽啃?。

• 放置：輸入電容必須盡可能靠近TPS63020 的VIN引腳和GND引腳放置，以最大限度地減小寄生電感和電阻。

• 輸出電容器（C_OUT）：

• 作用：輸出電容器的主要作用是平滑輸出電壓紋波，提供負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)所需的電流，并穩(wěn)定控制環(huán)路。

• 容量：通常建議使用至少10μF的輸出電容。對于需要更低輸出紋波或更好瞬態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，可能需要更大的容量（如22μF、47μF甚至100μF）。

• 電壓額定值：電容器的電壓額定值應(yīng)至少是最大輸出電壓的1.5倍。

• 放置：輸出電容必須盡可能靠近TPS63020 的VOUT引腳和GND引腳放置，以最大限度地減小寄生電感和電阻，從而降低輸出紋波并改善瞬態(tài)響應(yīng)。

9.2 電感選擇

電感是降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中儲存和釋放能量的核心元件。正確的電感選擇對轉(zhuǎn)換效率、輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。

• 電感值（L）：

• 電感值過小：會導(dǎo)致電感電流紋波過大，增加開關(guān)損耗，降低效率，并可能導(dǎo)致在輕負(fù)載時更早進(jìn)入PSM模式。

• 電感值過大：會增加電感的物理尺寸和成本，并可能降低瞬態(tài)響應(yīng)速度。

• 范圍：對于TPS63020，推薦的電感值通常在1.0μH至4.7μH之間。常見的選擇是2.2μH。

• 影響：

• 計算：電感值的選擇通常基于允許的電感電流紋波（ΔI_L），通常選擇峰峰值紋波電流為最大輸出電流的20%到40%。具體計算公式請參考官方數(shù)據(jù)手冊。

• 飽和電流（I_SAT）：

• 電感的飽和電流額定值必須高于芯片的最大峰值電感電流。如果電感飽和，其電感值會急劇下降，導(dǎo)致電流失控，可能損壞芯片或外部元件。

• 最大峰值電感電流在降壓和升壓模式下有所不同，尤其在升壓模式下，峰值電流可能遠(yuǎn)高于輸出電流。

• 直流電阻（DCR）：

• 電感的直流電阻越低越好，因?yàn)樗苯佑绊憣?dǎo)通損耗，從而影響轉(zhuǎn)換效率。選擇低DCR的電感可以最大限度地提高效率。

• 物理尺寸和屏蔽：

• 選擇尺寸適合PCB空間的電感。

• 屏蔽式電感（Shielded Inductor）是首選，因?yàn)樗鼈兡軌蛴行б种齐姶泡椛?，降低EMI，避免對周圍敏感電路的干擾。非屏蔽電感會產(chǎn)生更大的磁場，可能導(dǎo)致EMI問題。

9.3 反饋電阻選擇

外部反饋電阻分壓器用于設(shè)置TPS63020 的輸出電壓。

• 設(shè)置公式：V_OUT = V_FB * (1 + R1 / R2)

• 其中，V_FB 是內(nèi)部反饋參考電壓（典型值500mV），R1 是連接VOUT到FB的電阻，R2 是連接FB到GND的電阻。

• 電阻值：

• 為了減小靜態(tài)功耗，R1和R2的總阻值不應(yīng)過低。通常，R2可以選擇在10kΩ到100kΩ之間。

• 為了避免噪聲對反饋路徑的影響，R1和R2的阻值也不應(yīng)過高，否則反饋引腳對噪聲更敏感。

• 精度：使用1%或更高精度的電阻可以確保輸出電壓的精度。

• 放置：反饋電阻分壓器（R1和R2）應(yīng)盡可能靠近FB引腳放置，并且連接FB引腳的走線應(yīng)盡可能短且遠(yuǎn)離噪聲源，以避免噪聲耦合。

9.4 布局注意事項(xiàng)（Layout Considerations）

良好的PCB布局對于TPS63020 的性能至關(guān)重要，它直接影響效率、輸出紋波、EMI和熱性能。

• 高電流回路最小化：

• 輸入回路：輸入電容、VIN引腳和GND之間的回路應(yīng)盡可能短且寬。

• 輸出回路：輸出電容、VOUT引腳和GND之間的回路應(yīng)盡可能短且寬。

• 開關(guān)回路：電感、SW引腳和內(nèi)部開關(guān)之間的回路應(yīng)盡可能短且寬。這些是高頻、大電流的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，最小化回路面積可以顯著降低EMI。

• 地平面：

• 使用大面積的GND平面。良好的地平面可以提供低阻抗的電流返回路徑，降低地彈，并有助于散熱。

• 將模擬地和功率地在單點(diǎn)連接，通常在GND引腳下方。

• 元件放置：

• 輸入電容：緊鄰VIN引腳和GND放置。

• 輸出電容：緊鄰VOUT引腳和GND放置。

• 電感：緊鄰SW引腳放置。

• 反饋電阻：緊鄰FB引腳放置，遠(yuǎn)離噪聲源。

• 走線寬度：

• 高電流路徑（VIN, VOUT, SW節(jié)點(diǎn), GND）應(yīng)使用寬而短的走線，以減小電阻和寄生電感，從而降低損耗和電壓跌落。

• 敏感信號走線（FB, SYNC, EN/MODE）應(yīng)盡可能短，并遠(yuǎn)離高電流和高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)，必要時可進(jìn)行屏蔽。

• 散熱：

• 對于QFN封裝，芯片底部的**散熱焊盤（Exposed Pad）**必須通過多個過孔連接到大面積的GND平面，以提供有效的散熱路徑。這對于在高電流和高環(huán)境溫度下保持芯片結(jié)溫在安全范圍內(nèi)至關(guān)重要。

• 如果可能，在PCB的背面也鋪設(shè)銅平面作為散熱區(qū)域。

9.5 熱管理

盡管TPS63020 具有高效率，但在高負(fù)載和高環(huán)境溫度下，仍然會產(chǎn)生一定的熱量。有效管理熱量對于確保芯片的長期可靠性至關(guān)重要。

• 散熱焊盤連接：如前所述，將QFN封裝的散熱焊盤通過多個熱過孔連接到大面積的GND平面是首要的散熱措施。

• 銅面積：在PCB上為芯片提供盡可能大的銅面積作為散熱器。銅面積越大，散熱效果越好。

• 氣流：如果可能，在產(chǎn)品設(shè)計中考慮為電源部分提供良好的氣流，以幫助散熱。

• 負(fù)載降額：在極端溫度或散熱受限的情況下，可能需要對最大輸出電流進(jìn)行降額，以確保芯片結(jié)溫不超過推薦的工作范圍。

10. 典型應(yīng)用電路

以下是TPS63020 幾種典型的應(yīng)用電路配置，它們展示了如何將芯片集成到實(shí)際系統(tǒng)中以滿足不同的電源需求。

10.1 固定輸出電壓應(yīng)用電路

這是最常見的應(yīng)用配置，通過外部電阻分壓器將輸出電壓設(shè)置為固定值。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     TPS63020    |
                    |                 |
           VIN -----|VIN           VOUT|----- VOUT (e.g., 3.3V)
             |      |                 |       |
             C_IN   |SW1           SW4|-------+
             |      |                 |       |
            GND ----|GND           SW2|-------+
                    |                 |       |
                    |SW3           SW1|-------+
                    |                 |       |
                    |FB            EN/MODE|----- V_EN/MODE (for auto mode)
                    |                 |
                    |SYNC          NC |
                    |                 |
                    +-----------------+
                          |
                          L (e.g., 2.2uH)
                          |
                          |
                          +----- C_OUT
                          |
                         GND

             R1 (from VOUT to FB)
             |
            FB
             |
             R2 (from FB to GND)
             |
            GND

說明：

• C_IN：輸入電容，通常為10μF或更大，放置在VIN和GND之間，靠近芯片。

• L：電感，通常為2.2μH，連接在SW引腳之間。

• C_OUT：輸出電容，通常為10μF或更大，放置在VOUT和GND之間，靠近芯片。

• R1, R2：反饋電阻分壓器，用于設(shè)置VOUT。根據(jù) V_OUT = V_FB * (1 + R1 / R2) 計算。例如，如果V_FB = 0.5V，要輸出3.3V，R2=10kΩ，則R1 = R2 * (V_OUT/V_FB - 1) = 10kΩ * (3.3/0.5 - 1) = 10kΩ * (6.6 - 1) = 56kΩ。

• EN/MODE：根據(jù)所需模式連接。

• 連接到VIN：強(qiáng)制PWM模式。

• 通過電阻分壓器連接到VIN，使電壓在0.3V-1.2V之間：自動PWM/PSM模式。

• 連接到GND：關(guān)斷芯片。

• SYNC：如果不需要外部同步，可以懸空或連接到GND。

10.2 動態(tài)可調(diào)輸出電壓應(yīng)用電路（通過微控制器）

在某些應(yīng)用中，可能需要根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動態(tài)調(diào)整輸出電壓，例如為了優(yōu)化功耗或適應(yīng)不同工作模式。這可以通過在反饋路徑中引入數(shù)字電位器或通過微控制器的PWM輸出和低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     TPS63020    |
                    |                 |
           VIN -----|VIN           VOUT|----- VOUT (Adjustable)
             |      |                 |       |
             C_IN   |SW1           SW4|-------+
             |      |                 |       |
            GND ----|GND           SW2|-------+
                    |                 |       |
                    |SW3           SW1|-------+
                    |                 |       |
                    |FB            EN/MODE|----- V_EN/MODE
                    |                 |
                    |SYNC          NC |
                    |                 |
                    +-----------------+
                          |
                          L
                          |
                          |
                          +----- C_OUT
                          |
                         GND

             R1 (from VOUT to FB)
             |
            FB
             |
             +----- Digital Potentiometer / DAC Output (from MCU)
             |
             R2 (from FB to GND)
             |
            GND

說明：

• 通過改變R2的有效阻值（例如使用數(shù)字電位器），或者通過微控制器的DAC輸出或PWM輸出經(jīng)過低通濾波后連接到R2，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的動態(tài)調(diào)整。

• 這種方法允許系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載需求或電池電量動態(tài)調(diào)整輸出電壓，從而優(yōu)化整體系統(tǒng)功耗。

10.3 外部同步應(yīng)用電路

當(dāng)需要將TPS63020 的開關(guān)頻率與其他電源或系統(tǒng)時鐘同步時，可以使用SYNC引腳。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     TPS63020    |
                    |                 |
           VIN -----|VIN           VOUT|----- VOUT
             |      |                 |       |
             C_IN   |SW1           SW4|-------+
             |      |                 |       |
            GND ----|GND           SW2|-------+
                    |                 |       |
                    |SW3           SW1|-------+
                    |                 |       |
                    |FB            EN/MODE|----- V_EN/MODE
                    |                 |
   External Clock---|SYNC          NC |
                    |                 |
                    +-----------------+
                          |
                          L
                          |
                          |
                          +----- C_OUT
                          |
                         GND

說明：

• 將一個外部時鐘信號（例如微控制器的PWM輸出或?qū)Ｓ脮r鐘芯片的輸出）連接到SYNC引腳。

• 外部時鐘的頻率應(yīng)在TPS63020 支持的同步頻率范圍內(nèi)。

• SYNC引腳的輸入信號電平應(yīng)符合芯片的邏輯輸入規(guī)范。

11. 封裝信息

TPS63020 通常采用緊湊的14引腳QFN（Quad Flat No-lead）封裝。QFN封裝是一種無引腳的表面貼裝封裝，其特點(diǎn)是尺寸小、熱性能好、寄生電感低，非常適合高頻和功率應(yīng)用。

11.1 封裝類型

• 名稱：VQFN-14 (或 WSON-14)

• 引腳數(shù)量：14

• 尺寸：典型尺寸為2.5mm x 2.5mm。

• 特點(diǎn)：

• 無引腳設(shè)計：引腳位于封裝底部，通過焊盤與PCB連接，從而減小了封裝尺寸。

• 裸露焊盤（Exposed Pad）：封裝底部有一個較大的裸露金屬焊盤，用于連接到PCB的地平面，主要作用是提供優(yōu)異的散熱路徑和低阻抗地連接。

• 熱性能：裸露焊盤通過熱傳導(dǎo)將芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有效地傳遞到PCB，有助于降低結(jié)溫。

• 電氣性能：由于引腳短且無引線，QFN封裝的寄生電感和電容非常小，這對于高頻開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。

11.2 封裝尺寸（典型值）

• 長度：2.5 mm

• 寬度：2.5 mm

• 高度：0.8 mm (典型值)

• 引腳間距（Pitch）：0.5 mm (典型值)

重要提示：

• 具體的封裝尺寸、焊盤布局和推薦的PCB封裝尺寸（Footprint）請務(wù)必參考德州儀器官方數(shù)據(jù)手冊中的“封裝信息”或“機(jī)械數(shù)據(jù)”部分。這些信息對于正確的PCB設(shè)計和制造至關(guān)重要。

• 在PCB設(shè)計中，裸露焊盤應(yīng)與PCB的地平面通過多個過孔連接，以最大限度地提高散熱效率。

12. 訂購信息

TPS63020 系列芯片通常有不同的型號后綴，表示不同的封裝、溫度范圍或卷帶包裝方式。在訂購時，需要根據(jù)具體需求選擇正確的型號。

• 基本型號：TPS63020

• 封裝代碼：例如，DSJ 可能表示14引腳QFN封裝。

• 卷帶代碼：例如，R 或 T 可能表示卷帶包裝（Reel），用于自動化貼片機(jī)。

• 示例訂購型號：

• TPS63020DSJR：這可能表示一個采用14引腳QFN封裝（DSJ）的TPS63020，并以卷帶形式（R）提供。

如何獲取準(zhǔn)確訂購信息：

• 查閱官方數(shù)據(jù)手冊：TI 的官方數(shù)據(jù)手冊中會提供詳細(xì)的訂購信息表格，列出所有可用的型號、封裝類型和包裝選項(xiàng)。

• 訪問TI官網(wǎng)：在德州儀器（TI）的官方網(wǎng)站上搜索“TPS63020”，可以找到產(chǎn)品頁面，其中包含訂購信息、庫存情況和購買選項(xiàng)。

• 聯(lián)系授權(quán)分銷商：通過TI的授權(quán)分銷商（如Digi-Key, Mouser, Arrow等）進(jìn)行查詢和訂購。

13. 應(yīng)用示例

TPS63020 的多功能性和高性能使其適用于各種電池供電和低功耗應(yīng)用。以下是一些典型的應(yīng)用場景：

13.1 電池供電的便攜式設(shè)備

這是TPS63020 最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。其高效率和降壓-升壓能力使其成為延長電池續(xù)航時間的關(guān)鍵。

• 智能手機(jī)和平板電腦：為處理器、顯示屏、無線模塊（Wi-Fi, 藍(lán)牙, LTE）等提供穩(wěn)定的電源。當(dāng)電池電壓在充電和放電過程中波動時，TPS63020 能夠確保這些組件獲得恒定的電壓。

• 可穿戴設(shè)備：如智能手表、健身追蹤器、AR/VR眼鏡等。這些設(shè)備對尺寸和功耗要求極高，TPS63020 的小封裝和高效率非常適合。

• 便攜式媒體播放器：為音頻編解碼器、顯示屏和存儲器供電。

• 數(shù)碼相機(jī)：為圖像傳感器、處理器和閃光燈電路提供穩(wěn)定電源。

• 便攜式POS終端：為處理器、顯示屏和打印機(jī)等組件供電，確保在電池電量變化時也能穩(wěn)定工作。

13.2 工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用

TPS63020 的高可靠性和寬工作溫度范圍使其也能在嚴(yán)苛的工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中發(fā)揮作用。

• 工業(yè)傳感器和無線模塊：為遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)、工業(yè)自動化設(shè)備中的無線通信模塊供電。這些設(shè)備通常由電池供電，需要長時間運(yùn)行。

• 智能儀表：如智能水表、電表、燃?xì)獗淼?，需要超低功耗和長電池壽命。

• 手持式醫(yī)療設(shè)備：如血糖儀、便攜式心電圖機(jī)、輸液泵等。這些設(shè)備對電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高，且通常由電池供電。

• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集單元中的微控制器和模擬前端供電。

13.3 能量采集系統(tǒng)

在能量采集（Energy Harvesting）應(yīng)用中，輸入電壓可能非常低且不穩(wěn)定（如太陽能電池、熱電發(fā)生器、振動能量采集器）。TPS63020 的寬輸入電壓范圍和高效轉(zhuǎn)換能力使其能夠從這些低壓、不穩(wěn)定的能源中提取能量，并將其轉(zhuǎn)換為可用的穩(wěn)定電壓，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其他低功耗設(shè)備供電。

13.4 USB供電應(yīng)用

當(dāng)設(shè)備通過USB端口供電時，輸入電壓通常為5V。如果內(nèi)部電路需要3.3V或更低的電壓，TPS63020 可以作為高效的降壓轉(zhuǎn)換器。如果需要更高的電壓（雖然不常見，但某些應(yīng)用可能需要），它也可以作為升壓轉(zhuǎn)換器。其自動模式切換功能確保了在USB電源波動時的穩(wěn)定輸出。

13.5 固態(tài)硬盤（SSD）和存儲設(shè)備

在某些固態(tài)硬盤或便攜式存儲設(shè)備中，可能需要將主電源電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部NAND閃存或控制器所需的特定電壓，TPS63020 可以提供高效的電源轉(zhuǎn)換。

14. 故障排除

在使用TPS63020 進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試時，可能會遇到一些常見問題。了解這些問題的原因和解決方法有助于快速定位并解決故障。

14.1 輸出電壓不穩(wěn)定或紋波過大

• 可能原因：

• 電容選擇不當(dāng)：輸入或輸出電容容量過小，ESR過高，或放置位置遠(yuǎn)離芯片。

• 電感飽和：電感飽和電流不足，導(dǎo)致在峰值電流時電感值下降，電流紋波增大。

• 反饋回路噪聲：反饋電阻走線過長或靠近噪聲源，導(dǎo)致噪聲耦合到FB引腳。

• PCB布局不良：高電流回路面積過大，導(dǎo)致EMI問題和地彈。

• 負(fù)載過重：輸出電流超過芯片的最大能力。

• 強(qiáng)制PWM模式：在輕負(fù)載下，如果強(qiáng)制PWM模式，紋波可能相對較高（相比PSM模式下，PSM模式下紋波通常更大，但效率更高）。

• 解決方法：

• 增加輸入/輸出電容容量，確保使用低ESR陶瓷電容，并將其緊密放置在芯片引腳旁。

• 選擇飽和電流額定值更高的電感。

• 縮短反饋?zhàn)呔€，遠(yuǎn)離高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)，必要時進(jìn)行屏蔽。

• 優(yōu)化PCB布局，最小化高電流回路面積，并確保良好的地平面。

• 檢查負(fù)載電流是否在芯片規(guī)格范圍內(nèi)。

• 如果對紋波敏感，在輕負(fù)載時考慮使用強(qiáng)制PWM模式（但會犧牲輕負(fù)載效率）。

14.2 芯片發(fā)熱嚴(yán)重

• 可能原因：

• 負(fù)載電流過大：芯片輸出的電流超過其散熱能力。

• 散熱不良：PCB散熱焊盤未正確連接到大面積地平面，或熱過孔不足。

• 效率低下：電感DCR過高，或輸入/輸出電容ESR過高，導(dǎo)致?lián)p耗增加。

• 環(huán)境溫度過高：芯片工作在高溫環(huán)境下。

• 電感飽和：電感飽和導(dǎo)致大電流，增加芯片損耗。

• 解決方法：

• 檢查負(fù)載電流是否在芯片安全工作范圍內(nèi)，必要時降低負(fù)載。

• 確保QFN封裝的裸露焊盤通過足夠多的熱過孔連接到大面積的銅地平面。

• 選擇低DCR的電感和低ESR的電容。

• 改善系統(tǒng)散熱，如增加散熱面積，或提供氣流。

• 檢查電感是否飽和，選擇合適的電感。

14.3 芯片無法啟動或輸出電壓為0V

• 可能原因：

• 輸入電壓過低：VIN低于UVLO閾值。

• EN/MODE引腳設(shè)置錯誤：EN/MODE引腳被拉低（關(guān)斷模式），或電壓不在使能范圍內(nèi)。

• 短路保護(hù)觸發(fā)：輸出端存在短路或嚴(yán)重過載，導(dǎo)致芯片進(jìn)入保護(hù)模式。

• 過溫保護(hù)觸發(fā)：芯片溫度過高，進(jìn)入熱關(guān)斷。

• 元件連接錯誤：電感、電容或反饋電阻連接錯誤。

• 芯片損壞：可能由于過壓、過流或ESD事件導(dǎo)致芯片損壞。

• 解決方法：

• 檢查輸入電壓是否在推薦范圍內(nèi)。

• 檢查EN/MODE引腳的電壓，確保其處于使能狀態(tài)。

• 斷開負(fù)載，檢查輸出端是否存在短路。

• 讓芯片冷卻，檢查是否是過溫保護(hù)觸發(fā)。

• 仔細(xì)檢查所有外部元件的連接是否正確，特別是電感和反饋電阻。

• 如果以上方法都無效，考慮更換芯片。

14.4 效率低于預(yù)期

• 可能原因：

• 電感選擇不當(dāng)：DCR過高，或飽和電流不足導(dǎo)致飽和。

• 電容ESR過高：輸入/輸出電容的ESR過高，導(dǎo)致紋波電流損耗增加。

• PCB布局不良：高電流路徑阻抗過大，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗增加。

• 工作模式選擇：在輕負(fù)載下強(qiáng)制PWM模式，而不是功率節(jié)省模式。

• 開關(guān)頻率：雖然TPS63020 頻率固定，但如果外部同步頻率設(shè)置不當(dāng)，也可能影響效率。

• 解決方法：

• 選擇低DCR、高飽和電流的電感。

• 使用低ESR的陶瓷電容。

• 優(yōu)化PCB布局，確保高電流路徑短而寬。

• 在輕負(fù)載應(yīng)用中，考慮使用自動PWM/PSM模式以提高輕負(fù)載效率。

• 確保外部同步頻率在推薦范圍內(nèi)。

15. 結(jié)論

TPS63020 是一款功能強(qiáng)大、高效且高度集成的降壓-升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，為各種電池供電和低壓應(yīng)用提供了卓越的電源管理解決方案。其獨(dú)特的能力在于能夠在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的任何情況下，都能保持高效率和穩(wěn)定的輸出。

該芯片的主要優(yōu)勢包括：高達(dá)96%的轉(zhuǎn)換效率，顯著延長電池續(xù)航時間；寬輸入電壓范圍（1.8V至5.5V），兼容多種電源；可編程輸出電壓（1.2V至5.5V），提供設(shè)計靈活性；以及最重要的自動降壓-升壓模式切換，確保了在整個輸入電壓范圍內(nèi)的無縫操作和高效率。此外，其集成的功率節(jié)省模式、外部同步功能和全面的保護(hù)機(jī)制（如欠壓鎖定、過溫保護(hù)和過流保護(hù)）進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。

小巧的14引腳QFN封裝使得TPS63020 非常適合空間受限的便攜式設(shè)備，如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備。通過仔細(xì)選擇外部元件（低ESR陶瓷電容、低DCR高飽和電流電感）和遵循良好的PCB布局實(shí)踐，設(shè)計者可以充分發(fā)揮TPS63020 的性能潛力，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定且緊湊的電源解決方案。

總而言之，無論您是設(shè)計下一代智能設(shè)備，還是需要為工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用提供可靠的電源，TPS63020 都是一個值得信賴的選擇，它能夠幫助您實(shí)現(xiàn)更長電池壽命、更小尺寸和更高性能的產(chǎn)品。