ZHCADA8 October 2023 TPS541620 , TPS543320 , TPS543620 , TPS543820 , TPS546D24A , TPS548A28 , TPS548A29 , TPS563252 , TPS563257 , TPS568231 , TPS62912 , TPS62913 , TPSM5D1806 , TPSM82912 , TPSM82913 , TPSM843320 , TPSM863252 , TPSM863257 , TPSM8A28 , TPSM8A29
實(shí)時(shí)采樣速率更高和更加便攜是新型示波器產(chǎn)品的兩大趨勢，此外還有數(shù)字電路功能更強(qiáng)大和電路板尺寸更小。為了滿足這一要求，應(yīng)優(yōu)先選擇動(dòng)態(tài)負(fù)載性能更好、功率密度更高的電源系統(tǒng)。敏感的模擬元件也需要低噪聲和低輸出紋波來生成高精度圖像。盡管 12V 仍是較為常見的中間軌，但 24V 架構(gòu)的應(yīng)用越來越流行。本文討論了與使用降壓穩(wěn)壓器為示波器供電有關(guān)的常見設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
| GPN | VIN | IOUT | Fsync | 特性 | 模塊選項(xiàng) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 快速瞬態(tài)響應(yīng) | TPS563252 | 3V 至 17V | 3A | 快速瞬態(tài)響應(yīng)，易于使用，1.2MHz，3A，寬 VOUT 范圍，ECO/FCCM/OOA | TPSM863252 | |
| TPS563257 | 3V 至 17V | 3A | TPSM863257 | |||
| TPS568231 | 3.8V 至 17V | 8A | 快速瞬態(tài)響應(yīng)，P2P 8A/12A 系列，400/800/1200KHz，ECO/FCCM，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng) | |||
| TPS56C231 | 3.8V 至 17V | 12A | ||||
| TPS548A28 | 2.7V 至 16V | 15A | 快速瞬態(tài)響應(yīng)，P2P 15A/20A 系列，600/800/1000KHz，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng) | TPSM8A28 | ||
| TPS548A29 | 2.7V 至 16V | 20A | TPSM8A29 | |||
|
功率密度高 |
TPS543320 | 4V 至 18V | 3A | √ | 市面上超高效率 12V/6A 轉(zhuǎn)換器，P2P 3A/6A/8A 系列，±0.5% 精度，可選 Fsw：500KHz/750KHz/1MHz/1.5MHz/2.2MHz，F(xiàn)sync。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng) | TPSM843320 |
| TPS543620 | 4V 至 18V | 6A | √ | TPSM843620 | ||
| TPS543820 | 4V 至 18V | 8A | √ | TPSM843820 | ||
| TPS541620 | 4.5V 至 15V | 雙路 6A | √ | 雙通道，小尺寸，500KHz/1MHz/1.5MHz/2MHz，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)，F(xiàn)sync | TPSM5D1806 | |
| TPS543A22 | 4V 至 18V | 12A | √ | 超高功率密度 25A 轉(zhuǎn)換器，P2P 12A/16A/20A/25A 系列，±0.5% 精度，可選 Fsw：500KHz/750KHz/1MHz/1.5MHz/2.2MHz，F(xiàn)sync。電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng) | TPSM843A22 | |
| TPS543A26 | 4V 至 18V | 16A | √ | TPSM843A26 | ||
| TPS543B22 | 4V 至 18V | 20A | √ | TPSM843B22 | ||
| TPS543B25 | 4V 至 18V | 25 A | √ | |||
| 低噪聲 | TPS62912 | 3V 至 17V | 2A | √ |
無需 LDO 和無源后置濾波，低噪聲/紋波，展頻調(diào)制，1MHz/2.2MHz，F(xiàn)sync |
TPSM82912 |
| TPS62913 | 3V 至 17V | 3A | √ | TPSM82913 | ||
|
數(shù)字接口 |
TPS546D24A | 2.95V 至 16V | 40A | √ | 帶遙測功能的 PMBus，可堆疊 4 個(gè)，90% 以上的效率，12VIN，1VOUT，500kHz（15A 至 25A）。275KHz 至 1.5MHz，F(xiàn)sync | TPSM8D6C24 |
| TPS546B24A | 2.95V 至 16V | 20A | √ | TPSM8D6B24 | ||
| TPS546A24A | 2.95V 至 16V | 10A | √ | |||
| 24V 電壓軌 | TPS62933 | 3.8V 至 30V | 3A | 寬 VIN 范圍，200KHz 至 2.2MHz 可選頻率，EN，輕負(fù)載效率，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)，展頻調(diào)制 | ||
| TPS62932 | 3.8V 至 30V | 2A | ||||
| TPS56637 | 4.5V 至 28V | 6A | 高效率，ECO/FCCM/OOA，可選 Fsw：500kHz/800kHz/1.2MHz，大占空比支持，電源正常，可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng) | TPSM86638 | ||
| TPS56837 | 4.5V 至 28V | 8A | TPSM86838 |
挑戰(zhàn)
針對 CPU 和 FPGA 內(nèi)核電壓的快速瞬態(tài)響應(yīng)
當(dāng)示波器進(jìn)行信號采樣和處理時(shí)，CPU 和 FPGA 等數(shù)字電路消耗的負(fù)載電流可能會(huì)迅速變化。為了將輸出電壓調(diào)節(jié)在較小的下沖和過沖范圍內(nèi)，大多數(shù)示波器電源設(shè)計(jì)都需要具有快速瞬態(tài)響應(yīng)行為的功率器件。如果沒有這種行為，CPU/FPGA 就無法接收穩(wěn)定的輸入電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。TPSM863257 是專為解決這一難題而設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件。TPSM863257 不需要像電流模式穩(wěn)壓器那樣的大輸出電容，而是采用基于比較器的 D-CAP3TM 控制模式來實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，如圖 1 所示，ΔVOUT 在 ±3% VOUT 范圍內(nèi)。此外，TPSM863257 易于使用，并且外部元件非常少，可支持大占空比運(yùn)行。
圖 1 TPSM863257 瞬態(tài)響應(yīng)（12V 至 1.05V，0.3A 至 2.7A，1A/μs SR）低噪聲排放
由于示波器中的 ADC、DAC 和 AFE 對輻射發(fā)射敏感，因此優(yōu)先選擇 EMI 發(fā)射較小的低噪聲降壓穩(wěn)壓器。TPS62913 和 TPSM82913 專為 12V 輸入軌的低 EMI 選項(xiàng)而設(shè)計(jì)。TPS62913 和 TPSM82913 可支持展頻調(diào)制，有助于降低 EMI 噪聲。展頻可消除特定頻率下的峰值發(fā)射，方法是在比具有固定頻率運(yùn)行的器件更寬的頻率范圍內(nèi)分散這些發(fā)射。與傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器 + LDO 選項(xiàng)相比，TPS62913 和 TPSM82913 可在單芯片選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)低于 20μVrms 的噪聲。通過對鐵氧體磁珠濾波器實(shí)施內(nèi)部補(bǔ)償，還可使輸出紋波低于 10μVrms，如圖 2 和圖 3 所示。
圖 2 12VIN 至 3.3VOUT 以及 2.2MHz 時(shí) TPS62913 的 VOUT 紋波 FFT
圖 3 采用集成式鐵氧體磁珠濾波器補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用功率密度
對于高端和便攜式振蕩器的電源設(shè)計(jì)，隨著功率需求的增加，電路板面積和厚度日益成為限制因素。電源工程師必須縮小電路設(shè)計(jì)面積并提高效率，以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。TPSM5D1806 的輸入電壓范圍為 4.5V 至 15V，具有雙路 6A 的輸出電流和較小的封裝尺寸 (5.5mm × 8mm × 1.8mm)，有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度和優(yōu)化的設(shè)計(jì)布局。當(dāng)連接 TPSM5D1806 的兩個(gè)輸出端以進(jìn)行電流共享時(shí)，該模塊可提供高達(dá) 12A 的電流，如圖 4 所示。TPSM5D1806 還具有很高的效率，在 12VIN 至 5VOUT、3A 輸出電流和 2MHz 開關(guān)頻率的條件下，效率可達(dá) 92%。
圖 4 單器件，電流共享示波器電源設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是監(jiān)測包括輸出電壓和輸入電流在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)。示波器需要穩(wěn)定的輸出電壓來驗(yàn)證信號測量精度。通過將降壓穩(wěn)壓器與具有遙測功能的 PMBusTM 接口結(jié)合使用，可以監(jiān)測實(shí)時(shí)輸出電壓，并調(diào)整電壓以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。此外，監(jiān)測輸入電流有助于評估效率并優(yōu)化電源管理，從而延長電池使用壽命并降低功耗。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)的支持 PMBus 的關(guān)鍵器件系列是 TPS546A24A 系列轉(zhuǎn)換器和 TPSM8D6C24 系列模塊。
TPS546A24A 和 TPSM8D6C24 是具有可選開關(guān)頻率的固定頻率器件，能夠與外部時(shí)鐘同步，這也有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率。對于 TPSM8D6C24，有一個(gè)雙路 35A 或單路 70A 以及最多四相可堆疊模塊。請參閱圖 5 中的簡化應(yīng)用。
德州儀器 (TI) Fusion Digital Power Designer 支持 TPS546A24A 和 TPSM8D6C24 器件。Fusion Digital Power Designer 是一款圖形用戶界面 (GUI)，可使用德州儀器 (TI) USB 轉(zhuǎn) GPIO 適配器通過 PMBus 配置并監(jiān)控器件。下載德州儀器 (TI) Fusion Digital Power Designer 軟件包。
圖 5 TPSM8D6C24 的簡化應(yīng)用結(jié)論
設(shè)計(jì)示波器電源需要考慮瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲排放、功率密度和電源參數(shù)監(jiān)測。TI 品類豐富的降壓轉(zhuǎn)換器和模塊產(chǎn)品系列具有良好特性，能夠解決 12V 和 24V 輸入電壓軌（具有各種輸出電流）中的所有上述電源設(shè)計(jì)難題。