摘要

集成了電感元件的電源模塊芯片在儀器儀表中的有著廣泛的應用和優勢，主要體現在以下幾個方面：

（1）提供穩定電源，儀器儀表中的電子元件對電源穩定性要求高，電源模塊芯片可將輸入電壓轉換為穩定的輸出電壓，如TPSM86325x系列降壓芯片，其輸入電壓范圍3V 到 17V，輸出電壓 0.6V 到 10V 可調，能提供高效的輸出自適應準時控制模式，實現快速瞬態響應和良好回路穩定性。 （2）提高電源轉換效率，儀器儀表通常需要長時間連續工作，電源模塊芯片可提高電源轉換效率以減少能耗和散熱。如 TPSM86325x系列降壓 芯片轉換效率最高可達 95%，在輕型負載下進入 Eco 模式，提高轉換效率，降低儀器儀表功耗. （3）集成保護功能，電源模塊芯片提供多種保護功能，增強儀器儀表可靠性和穩定性。如 TPSM86325x系列降壓 芯片可顯示故障，并提供過流，欠壓和過壓保護，過溫關機保護。當儀器儀表遭遇電源浪涌、電壓波動等情況時，這些保護功能可及時響應，避免儀器儀表出現故障或損壞，延長使用壽命 。（3）減小電路板尺寸，隨著儀器儀表向小型化、便攜化發展，對內部元件尺寸要求嚴格。高集成度的電源模塊芯片可將多個功能模塊集成于一體，大大簡化了 PCB 板設計，減小電路板尺寸。

1. 電源模塊的應用和輸出紋波問題

1.1 電源模塊給模擬信號鏈和FPGA供電時的紋波問題

目前，大量的儀器儀表使用了FPGA作為信號處理和運算的核心器件，FPGA 內部包含眾多功能各異的模塊，像邏輯單元、存儲單元（如 Block RAM 等）、高速收發器等，不同模塊工作時所需的電壓不同，例如邏輯單元可能需要 1.0V 供電，而高速收發器也許需要 1.2V 或更高一點的電壓，普通的IO也需要1.8V或3.3V的供電，每一路的電源軌的功耗也高達幾百毫安到幾個安培。使用電源模塊為FPGA的不同電源軌供電，特別是為內核供電時，需要額外關注紋波問題。

Xilinx的ZYNQ芯片有很多路電源軌的供電需求，例如，VCCO_PSIO 主要是給 PS 端的 MIO（多路復用 I/O）供電的. MIO 是 ZYNQ系列芯片中 PS 端的一種特殊的 I/O 接口，它可以被靈活地配置為不同的功能，如 GPIO、UART、SPI、I2C 等各種常見的外設接口，VCCO_PSIO 為這些接口的正常工作提供所需的電源支持。從手冊中可以看到它支持用戶自定義供電范圍從1.8 V 到3.3 V, 紋波要求為±5%, 電流需求為100mA。當使用3.3V供電時，±5%的紋波則為±165mV。

1.2 TI電源模塊的電壓紋波來源

TPSM863252降壓芯片集成了半橋開關管和電感元件，無需復雜的外圍組件就可搭建降壓供電電路。其輸入電壓范圍 3V 到 17V，輸出電壓 0.6V 到 10V 可調，輸出電流最大可達3A。輕負載下 TPSM863252會進入 Eco-mode, 可在輕載時保持高效率，但是也會隨之引入紋波的問題。

隨著輸出電流從重載狀態減小，電感電流也隨之減小，最終達到其波紋谷值觸及零電平的點，這是連續導通和不連續導通模式之間的邊界。當檢測到零電感電流時，整流 MOSFET 關斷。隨著負載電流進一步減小，轉換器進入不連續導通模式。不連續導通模式的導通時間與連續導通模式幾乎相同，因此需要更長的時間才能以較小的負載電流將輸出電容放電至參考電壓水平。此事件使開關頻率降低，與負載電流成比例，并保持輕載效率高。

輸出電壓紋波除了跟降壓芯片開關控制模式有關以外，還跟輸出電容的容值，等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL相關。

輸出電壓紋波除了跟降壓芯片開關控制模式有關以外，還跟輸出電容的容值，等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL相關。通常，由ESL導致的紋波電壓很小，可以忽略不記。

1.3 連續導通模式下的輸出電壓紋波的計算

降壓電路在連續導通模式下，電感紋波電流的計算公式通常為：

其中，L是電感值，f為開關頻率，D是占空比。

連續導通模式下的輸出電壓紋波ΔV大致由阻性紋波電壓ΔVr和容性紋波電壓ΔVc組成：

連續導通模式下輸出電容上的電流等于電感的紋波電流ΔIL，阻性輸出紋波為電容紋波電流與電容等效串聯電阻ESR的乘積，即：

容性輸出電壓紋波則為輸出電容上的電壓最大值與最小值的差值：

綜上：連續導通模式下的輸出電壓紋波：

1.4 斷續導通模式下的電壓紋波

當降壓電路工作在斷續導通模式時，電感的電流會降低到0。在Ton時間內，電感電流從0增加到IL_max,則電感電壓和電流的關系為：

輸出端的電流變化量為：

所以阻性輸出電壓紋波為：

根據電荷公式ΔQ=ΔI * T= C *ΔV可知：

所以斷續導通模式下輸出電壓紋波為：

1.5 強制連續導通模式下的電壓紋波

當降壓電路工作在強制連續導通模式時，電感的電流會降低到0以下，即反向流動。此時的電壓紋波的來源主要有電感紋波電流和輸出電壓紋波兩者決定的。

降壓電路FCCM模式下輸出電壓紋波計算公式為：

2. 電源模塊的PSPICE仿真

2.1 電源模塊TPSM863252仿真

使用TI官網提供的TPSM863252的PSPICE模型，以6.5V輸入，5V輸出, 負載電流設置為0.01A。

2.2 輕載輸出

可以看到在輕載時，TPSM863252進入了Eco mode模式，電感電流斷續導通，開關頻率降低，輸出電壓紋波的峰峰值達到了30mV。

2.3 重載輸出

而保持其他條件不變，將負載電流設置為3A時，波形如下：

可以看到增大輸出負載電流到3A，電源模塊進入連續導通模式，開關頻率約為1.2MHz，輸出電壓紋波約為5mV，相比輕載時DCM模式下的30mV大大減少。

2.4 增大輸入輸出電壓差，輸入電壓提高到15V，維持輸出電壓不變和輕載模式

可以看到輸入電壓增大后，紋波電壓增大到14mV。斷續導通模式下，紋波大小與輸入電壓成正比。

2.5 電源模塊TPSM863257仿真

使用TI官網提供的TPSM863257的PSPICE模型，以6.5V輸入，5V輸出, 負載電流設置為0.01A。

可以看到輕載時，TPSM863257的輸出電壓紋波的仿真結果約為2.5mV。

3. 減小降壓電路輸出紋波的措施

3.1 調整輸出電容參數

由CCM, DCM和FCCM模式下的電壓紋波的公式可以看到，選用大容值和小ESR的輸出電容，可以減小輕載和重載時的紋波。

如上表所示, 可以選用2個22uF的電容并聯在滿足大輸出范圍的輸出電壓的同時還能降低ESR/ESL。

理論上，電感紋波電流為r倍的輸出電流的最大值：

其中，r為電流紋波系數，一般取值為0.2到0.4。則ΔIL最大為1.2A。按照0.5%的紋波要求，則3.3V輸出電壓時的輸出電容的ESR被期望小于13.75mΩ；0.6V電壓輸出時，輸出電容的ESR被期望小于2.5mΩ。

3.2 選用使用強制連續導通模式FCCM的TPSM863257

如果不考慮輕載時的效率，可以選用TPSM863257芯片，由于該芯片使用了FCCM模式，整個開關周期內，電感電流連續，電感電流過零后反向，輸出電壓紋波較小。

4. TPSM863257 EVM測試波形

使用TPSM863257EVM進行測試，將R6電阻更換為30k歐姆，R5電阻更換為220k歐姆，即將輸出設置為5V輸出。

直流電源設置為6.5V輸出，demo板連接電子負載，設置CC值為3A，模擬重載環境。

示波器設置為1x探頭增益，短地線和20MHz低通濾波后，用示波器進行紋波測量。

未在輸出端并聯22uF陶瓷電容時，測得電壓紋波峰峰值約為144mV。

將電子負載的負載電流設置為0.01A，模擬輕載的情況，如下圖，測得電壓紋波為13.26mV。

為了優化輸出電壓紋波，我們將輸出電容上并聯一顆22uF的陶瓷電容。如下圖測量結果所示：電壓紋波減小了一半至6.63mV。

可以看到輕載時電源模塊TPSM863257的電壓紋波與仿真結果非常接近。

5. 總結

本文介紹了TI新推出的17V輸入，3A輸出的集成了開關半橋和電感元件的電源模塊TPSM863252/TPSM863257，小體積，高功率密度，適用于提供電源給到儀器儀表類產品內部的SOC/FPGA/運放/ADC和DAC，用公式推導了連續導通模式CCM，斷續導通模式DCM和強制連續導通模式的電壓紋波的來源。可以得出，輕載下，強制連續導通模式的效率更低，輸出電壓紋波小，斷續導通模式下的的效率高，紋波更大。

在關心輕載下的效率而關心電壓紋波的情況下，可以選用TPSM863252，該電源芯片正常工作在連續導通模式，輕載時進入eco mode，開關頻率降低，提升了輕載時的效率。

在關心輕載下的紋波而不關心輕載的情況下，可以選用TPSM863257，該電源芯片固定1.2MHz開關頻率，電感電流連續，降低了輕載時的電壓紋波，同時因開關損耗也降低了效率。