TPS63020中文芯片手册：高效降压-升压转换器深度解析

1. 概述

TPS63020 是一款由德州仪器（Texas Instruments, TI）推出的高性能、高效率的降压-升压（Buck-Boost）直流-直流（DC/DC）转换器。它专为单节或多节电池供电的应用而设计，能够有效地将输入电压转换为稳定的输出电压，无论输入电压高于、低于或等于输出电压，都能保持高效工作。其卓越的性能使其成为各种便携式电子设备、工业应用和医疗设备中电源管理的关键组件。

TPS63020 的核心优势在于其独特的降压-升压拓扑结构和先进的控制算法。它采用四开关同步整流技术，最大限度地减少了功率损耗，从而在整个输入电压范围内实现了高达96%的转换效率。这对于电池供电设备尤为重要，因为它能显著延长电池续航时间。此外，该芯片还集成了多种保护功能，包括过流保护、过温保护和欠压锁定，确保了系统在各种工作条件下的稳定性和可靠性。

该转换器支持宽输入电压范围，通常为1.8V至5.5V，使其能够兼容多种电池类型，如单节锂离子电池、两节或三节碱性电池、镍氢电池等。其输出电压可编程调节，范围从1.2V到5.5V，为设计者提供了极大的灵活性，以满足不同负载的电压需求。无论是为微控制器、无线模块、显示屏还是其他数字或模拟电路供电，TPS63020 都能提供稳定可靠的电源解决方案。

除了高效率和宽电压范围，TPS63020 还具备小巧的封装尺寸，通常采用2.5mm x 2.5mm的14引脚QFN封装，这使得它非常适合空间受限的应用。其内部集成的功率开关和补偿网络也简化了外部元件的数量，进一步缩小了PCB面积并降低了整体系统成本。对于追求高性能、高效率和紧凑设计的工程师而言，TPS63020 无疑是一个理想的选择。

2. 主要特性

TPS63020 凭借其一系列卓越的特性，在电源管理领域脱颖而出，为各种应用提供了强大的支持。这些特性不仅提升了转换效率和系统稳定性，还简化了设计过程，并适应了多样化的工作环境。

2.1 高达96%的效率

TPS63020 的最显著特点之一是其卓越的转换效率，在某些工作条件下可高达96%。这种高效率得益于其先进的控制算法和同步整流技术。传统的非同步转换器需要使用外部肖特基二极管进行整流，这会在二极管上产生显著的压降，从而导致能量损耗。而TPS63020 采用内部集成的低导通电阻（low-RDS(on)）MOSFET作为同步整流开关，有效降低了导通损耗。这意味着在将输入电压转换为输出电压的过程中，芯片本身消耗的能量极少，大部分能量都被有效传输到负载端。对于电池供电的便携式设备而言，高效率直接转化为更长的电池续航时间，从而提升了用户体验。在低功耗模式下，其效率依然保持较高水平，确保了整个负载范围内的能源优化。

2.2 宽输入电压范围

该芯片支持1.8V至5.5V的宽输入电压范围。这一特性使其能够灵活地适应多种电源输入，包括但不限于：

• 单节锂离子电池或锂聚合物电池：这些电池的电压通常在2.8V到4.2V之间波动，TPS63020 可以完美地处理这种电压变化。

• 两节或三节碱性电池/镍氢电池：这些电池的标称电压分别为1.5V和1.2V，总电压可能在2.0V到4.5V之间，TPS63020 能够在此范围内稳定工作。

• USB供电：USB端口通常提供5V电压，TPS63020 可以直接从USB端口取电并进行转换。

• 其他低压电源：如3.3V或5V的稳压电源。

宽输入电压范围极大地简化了系统设计，因为同一个芯片可以用于不同电源配置的产品，减少了物料清单（BOM）的复杂性。

2.3 可调输出电压

TPS63020 的输出电压可以通过外部电阻分压器进行编程，范围从1.2V到5.5V。这种灵活性使得设计者可以根据特定应用的电压需求精确设置输出电压。无论是为3.3V的微控制器供电，还是为5V的USB外设供电，亦或是为其他需要特定电压的组件供电，TPS63020 都能轻松胜任。这种可编程性也使得该芯片适用于多种产品平台，无需为每种电压需求重新设计电源方案。

2.4 自动降压-升压模式切换

TPS63020 最强大的特性之一是其在降压、升压和降压-升压（旁路）模式之间无缝自动切换的能力。这意味着无论输入电压相对于目标输出电压是高、低还是接近，芯片都能自动选择最合适的模式来维持稳定的输出电压。

• 当输入电压高于输出电压时，芯片进入降压模式。

• 当输入电压低于输出电压时，芯片进入升压模式。

• 当输入电压接近输出电压时，芯片进入降压-升压模式，此时四个开关都在工作，以确保电压的平稳过渡和高效率。

这种自动切换功能确保了在整个输入电压范围内输出电压的稳定性和高效率，无需外部控制逻辑，极大地简化了系统设计。

2.5 高达2A的输出电流能力

TPS63020 能够提供高达2A的连续输出电流（在升压模式下，具体电流能力取决于输入电压、输出电压和电感值）。这一高电流能力使其能够支持需要较大电流的负载，如高性能处理器、LED驱动器、RF模块等。在降压模式下，其电流能力通常更高。高电流输出能力意味着设计者无需使用多个并联的低电流转换器，从而节省了PCB空间和成本。

2.6 功率节省模式

为了在轻负载条件下保持高效率，TPS63020 集成了功率节省模式（Power Save Mode, PSM）。在轻负载或空载条件下，芯片会自动进入PSM，通过降低开关频率和跳过部分开关周期来减少静态电流消耗。这显著降低了芯片在待机或低功耗状态下的总功耗，进一步延长了电池寿命。当负载增加时，芯片会自动切换回固定频率的脉冲宽度调制（PWM）模式，以提供更稳定的输出电压和更高的电流能力。用户也可以通过EN/MODE引脚选择强制PWM模式，以在整个负载范围内保持固定频率操作，这对于对噪声敏感的应用非常有用。

2.7 强制PWM模式选项

除了自动功率节省模式外，TPS63020 还提供了一个强制PWM模式选项。通过将EN/MODE引脚设置为高电平，芯片将始终在固定频率的PWM模式下工作，无论负载大小。这对于那些对输出纹波和开关噪声敏感的应用非常有用，例如音频电路、射频（RF）电路或精密模拟电路。在强制PWM模式下，尽管轻负载效率可能略低于功率节省模式，但输出电压纹波更小，开关噪声更可预测，有助于系统满足严格的EMC（电磁兼容性）要求。

2.8 外部同步功能

TPS63020 支持外部时钟同步功能。这意味着可以将多个TPS63020 芯片的开关频率同步到同一个外部时钟源，或者将其与其他开关电源的开关频率进行同步。外部同步功能在以下场景中非常有用：

• 多电源系统：通过同步多个电源的开关频率，可以避免不同电源之间产生拍频干扰，从而降低整个系统的噪声。

• 噪声敏感应用：将开关频率同步到已知频率，可以更容易地滤除开关噪声，或者将其移出敏感频段。

• 优化EMI性能：通过精确控制开关事件的时序，有助于优化系统的电磁干扰（EMI）性能。

2.9 欠压锁定（UVLO）

欠压锁定（Under-Voltage Lockout, UVLO）是一种重要的保护功能，用于监测输入电压。当输入电压低于预设的阈值时，TPS63020 会自动关闭，以防止芯片在输入电压过低时不稳定工作或损坏。这可以保护连接到转换器的负载，并确保系统在电池电压过低时不会发生异常行为。一旦输入电压恢复到UVLO阈值以上，芯片将自动重新启动。

2.10 过温保护

TPS63020 内置了过温保护（Thermal Shutdown, TSD）功能。当芯片内部温度超过预设的阈值（通常为150°C至170°C）时，芯片会自动关闭，以防止因过热而损坏。一旦温度降至安全范围，芯片将自动重新启动。这项功能在极端工作条件或散热不良的情况下，为芯片和整个系统提供了额外的保护层。

2.11 短路保护/过流保护

该芯片还集成了短路保护和过流保护功能。当输出端发生短路或负载电流超过内部设定的最大限制时，芯片会限制输出电流或进入打嗝模式（Hiccup Mode），以防止过大的电流损坏芯片或外部元件。这大大提高了系统的鲁棒性和可靠性。

2.12 小尺寸QFN封装

TPS63020 采用2.5mm x 2.5mm的14引脚QFN封装。这种紧凑的封装尺寸使得该芯片非常适合空间受限的便携式应用，如智能手机、平板电脑、可穿戴设备等。小尺寸封装不仅节省了PCB面积，还有助于降低整体系统成本和复杂性。

3. 工作原理

TPS63020 是一款基于脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）的同步降压-升压转换器，其核心在于能够根据输入电压与输出电压的关系，在三种工作模式之间无缝切换：降压模式、升压模式和降压-升压模式。这种自适应的工作方式确保了在整个输入电压范围内的高效率和稳定的输出电压。

3.1 降压模式（Buck Mode）

当输入电压（V_IN）高于输出电压（V_OUT）时，TPS63020 进入降压模式。在这种模式下，芯片主要通过控制内部的两个高侧和低侧开关（通常是S1和S2）来实现降压转换。

工作流程：

1. 开关S1导通，S2关断：输入电压通过电感L和高侧开关S1向输出电容C_OUT和负载供电。电感电流线性上升，能量储存在电感中。

2. 开关S1关断，S2导通：高侧开关S1关断，低侧开关S2导通。此时，电感中的能量通过S2和输出电容向负载释放。电感电流线性下降。

3. 周期重复：通过调节S1的导通时间（即PWM占空比），可以精确控制输出电压。

由于采用了同步整流（即S2也是一个MOSFET而不是二极管），相比于非同步降压转换器，能量损耗显著降低，从而提高了效率。

3.2 升压模式（Boost Mode）

当输入电压（V_IN）低于输出电压（V_OUT）时，TPS63020 进入升压模式。在这种模式下，芯片主要通过控制内部的另外两个开关（通常是S3和S4）来实现升压转换。

工作流程：

1. 开关S3导通，S4关断：输入电压通过电感L和低侧开关S3将能量储存在电感中。电感电流线性上升。此时，输出电容C_OUT独立地向负载供电。

2. 开关S3关断，S4导通：低侧开关S3关断，高侧开关S4导通。此时，电感中储存的能量与输入电压叠加，通过S4向输出电容C_OUT和负载供电。电感电流线性下降。

3. 周期重复：通过调节S3的导通时间（即PWM占空比），可以精确控制输出电压。

与降压模式类似，升压模式也采用同步整流（S4是MOSFET），以最大化效率。

3.3 降压-升压模式（Buck-Boost Mode）

当输入电压（V_IN）接近或等于输出电压（V_OUT）时，TPS63020 进入降压-升压模式。这是该芯片最独特和强大的工作模式，它同时利用了四个内部开关（S1、S2、S3、S4）来维持输出电压的稳定。这种模式确保了在输入电压穿越输出电压点时，转换器能够平稳过渡，并且在整个转换过程中保持高效率。

工作流程：降压-升压模式可以看作是降压和升压模式的组合。在每个开关周期内，四个开关都会按照特定的时序进行切换，以实现能量的双向流动和输出电压的精确调节。

• 阶段一（能量储存）：S1和S3导通，S2和S4关断。输入电压通过S1和S3同时向电感L充电，电感电流上升。

• 阶段二（能量释放）：S1和S3关断，S2和S4导通。电感中储存的能量通过S2和S4释放到输出端，同时输入电压也可能通过S1/S4路径向输出供电。

通过精确控制这四个开关的占空比和时序，TPS63020 能够在输入电压与输出电压非常接近时，仍然提供稳定的输出，并保持高效率。这种模式消除了传统降压或升压转换器在输入电压接近输出电压时效率急剧下降的问题。

3.4 自动模式切换

TPS63020 内部集成了一个智能控制逻辑，能够实时监测输入电压和输出电压，并根据它们的相对关系自动选择最佳的工作模式（降压、升压或降压-升压）。这种自动切换是无缝的，用户无需进行任何干预，也几乎不会对输出电压产生瞬态影响。这种自适应能力是TPS63020 能够实现宽输入电压范围高效转换的关键。

3.5 控制环路

TPS63020 采用固定频率的PWM控制（在强制PWM模式下）或脉冲频率调制/脉冲跳跃控制（在功率节省模式下）来实现输出电压的稳压。

• PWM模式：在重负载条件下，芯片工作在固定频率（通常为2.4MHz）的PWM模式下。内部误差放大器将输出电压反馈与内部参考电压进行比较，产生一个误差信号。这个误差信号被送入PWM比较器，与一个斜坡信号进行比较，从而生成控制功率开关的PWM信号。通过调节PWM占空比，可以精确控制传递到输出端的能量。

• 功率节省模式（PSM）：在轻负载条件下，芯片进入PSM。此时，开关频率会降低，并且可能会跳过一些开关周期。当输出电压达到预设的上限阈值时，开关停止工作，直到输出电压下降到下限阈值时才重新开始开关。这种“打嗝”式的工作方式显著降低了轻负载时的静态电流消耗，从而提高了效率。

无论是哪种模式，控制环路都旨在快速响应负载瞬态变化和输入电压波动，以确保输出电压的稳定性和精度。

4. 引脚配置和功能

TPS63020 通常采用紧凑的14引脚QFN封装。理解每个引脚的功能对于正确设计和布局至关重要。

4.1 引脚图（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：此为示意图，实际引脚排列请参考官方数据手册。

4.2 引脚功能描述

以下是TPS63020 各个引脚的详细功能描述：

引脚1：VIN (Input Voltage)

• 功能：电源输入引脚。这是芯片的主电源输入，通常连接到电池或其他电源。

• 注意事项：为了确保芯片的稳定工作和降低输入纹波，建议在此引脚和GND之间放置一个低ESR（等效串联电阻）的陶瓷输入电容，其容量通常在10μF或更大。输入电容应尽可能靠近VIN引脚放置。

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

• 功能：这些是内部功率开关的连接点，用于连接外部电感。SW1和SW2通常用于降压模式，SW3和SW4通常用于升压模式。在降压-升压模式下，所有四个开关协同工作。

• 注意事项：这些引脚是高电流开关节点，布局时应尽量缩短与电感的连接路径，并确保这些路径具有较低的阻抗，以减少开关损耗和EMI。

引脚4：GND (Ground)

• 功能：芯片的模拟和功率地。

• 注意事项：GND引脚应通过低阻抗路径连接到PCB的公共地平面。为了获得最佳性能，应将模拟地和功率地在单点连接，并确保功率地路径能够处理大电流。

引脚5：FB (Feedback)

• 功能：反馈引脚。该引脚连接到外部电阻分压器，用于设置和调节输出电压。芯片内部的误差放大器通过监测FB引脚的电压来调节输出电压，使其稳定在内部参考电压（通常为500mV）上。

• 注意事项：反馈分压电阻应尽可能靠近FB引脚放置，并且走线应远离噪声源，以避免噪声耦合到反馈路径，影响输出电压的稳定性。

引脚6：SYNC (Synchronization)

• 功能：外部时钟同步引脚。该引脚允许用户将TPS63020 的开关频率与外部时钟信号同步。当有外部时钟信号输入时，芯片将锁定到外部时钟频率。

• 注意事项：如果不需要外部同步功能，该引脚可以悬空或连接到GND。如果使用外部同步，外部时钟信号的频率应在芯片支持的范围内。

引脚7, 8, 9：NC (No Connect)

• 功能：这些引脚是未连接的。

• 注意事项：这些引脚可以悬空，但为了增强散热，通常建议将这些NC引脚连接到GND平面。

引脚10：EN/MODE (Enable/Mode Select)

• 功能：使能和模式选择引脚。

• 高电平（>1.2V）：芯片使能，并强制工作在固定频率的PWM模式。

• 低电平（<0.3V）：芯片禁用（关断），进入低功耗状态。

• 中等电平（0.3V < V_EN/MODE < 1.2V）：芯片使能，并工作在自动模式切换（PWM/PSM）模式，即轻负载时进入功率节省模式。

• 注意事项：该引脚可以连接到微控制器的GPIO，以实现动态控制。如果需要始终使能并在自动模式下工作，可以将其通过一个电阻分压器连接到VIN，使其电压处于中等电平。

引脚11：VOUT (Output Voltage)

• 功能：电源输出引脚。这是转换器输出的稳压电压。

• 注意事项：为了降低输出纹波并确保负载瞬态响应，建议在此引脚和GND之间放置一个低ESR的陶瓷输出电容，其容量通常在10μF或更大。输出电容应尽可能靠近VOUT引脚放置。

引脚14：PGND (Power Ground)

• 功能：功率地引脚。这是内部功率开关的公共地连接。

• 注意事项：PGND应通过宽而短的走线连接到GND平面，以处理大电流并减少寄生电感。

5. 绝对最大额定值

绝对最大额定值定义了器件在不发生永久性损坏的情况下可以承受的极限条件。在任何情况下，器件都不应在这些最大额定值下长时间工作，否则可能会导致器件性能下降或永久性损坏。

• VIN 输入电压：-0.3V 至 6V

• 此为输入电源引脚VIN能够承受的电压范围。超过此范围可能导致内部电路击穿。

• VOUT 输出电压：-0.3V 至 6V

• 此为输出引脚VOUT能够承受的电压范围。即使在芯片未工作时，外部电压也不应超过此限制。

• SW1, SW2, SW3, SW4 开关引脚电压：-0.3V 至 6V

• 这些是连接电感的开关节点。在开关过程中，这些节点的电压会快速变化，但峰值电压不应超出此范围。

• FB, SYNC, EN/MODE 引脚电压：-0.3V 至 6V

• 这些是控制和反馈引脚。输入到这些引脚的信号电压应在此范围内。

• 结温（Junction Temperature, T_J）：-40°C 至 150°C

• 这是芯片内部半导体结的最高允许温度。长时间超过此温度可能导致器件性能下降或损坏。

• 存储温度范围：-65°C 至 150°C

• 这是芯片在非工作状态下可以安全存储的温度范围。

• ESD额定值（HBM）：2kV

• 人体模型（Human Body Model, HBM）静电放电耐受能力。表示器件在接触人体静电时的抗损坏能力。

• ESD额定值（CDM）：500V

• 充电器件模型（Charged Device Model, CDM）静电放电耐受能力。表示器件在自身带电后接触接地物体时的抗损坏能力。

重要提示：

• 在推荐工作条件之外的任何操作都可能导致器件的永久性损坏。

• 长时间在绝对最大额定值附近工作可能会影响器件的可靠性。

• 所有电压值均相对于GND引脚。

6. 推荐工作条件

推荐工作条件定义了器件在正常工作并保证其电气性能参数的范围。在这些条件下操作可以确保器件的长期可靠性和最佳性能。

• 输入电压范围（V_IN）：1.8V 至 5.5V

• 这是TPS63020 正常工作的输入电压范围。在此范围内，芯片能够稳定地提供输出电压。

• 输出电压范围（V_OUT）：1.2V 至 5.5V

• 这是TPS63020 可调节的输出电压范围。设计者应根据应用需求将输出电压设置在此范围内。

• 工作结温范围（T_J）：-40°C 至 125°C

• 这是芯片内部半导体结在正常工作时应保持的温度范围。为了确保器件的可靠性和性能，设计时应确保结温在此范围内。

• 工作环境温度范围（T_A）：-40°C 至 85°C

• 这是芯片外部环境温度的范围。在实际应用中，结温通常会高于环境温度，因此需要考虑散热设计。

• 开关频率（f_SW）：2.4MHz (典型值)

• 这是芯片在PWM模式下的典型开关频率。高开关频率允许使用更小的外部电感和电容，从而减小了整体解决方案的尺寸。

• 最大输出电流（I_OUT）：高达2A

• 这是芯片在特定输入/输出电压组合下能够提供的最大连续输出电流。实际最大电流能力会根据输入电压、输出电压、电感值和散热条件而变化。通常在升压模式下，随着输入电压的降低，最大输出电流能力会下降。

注意：

• 在这些推荐工作条件范围内，器件的电气特性和性能参数（如效率、输出纹波、瞬态响应等）均得到保证。

• 超出推荐工作条件范围的操作可能导致器件性能下降，甚至永久性损坏。

7. 电气特性

电气特性表格详细列出了TPS63020 在推荐工作条件下，各个关键参数的典型值、最小值和最大值。这些参数对于评估芯片性能和进行系统设计至关重要。

以下是一些主要电气特性（具体数值请参考官方数据手册，此处为典型值范围）：

7.1 输入电压和电流

• 静态电流（I_Q）：

• PWM模式下（空载）：约30μA - 50μA

• 功率节省模式下（空载）：约10μA - 25μA

• 关断电流（I_SHUTDOWN）：约0.1μA - 1μA

• 描述：这些参数表示芯片在不同工作模式下，无负载或关断时自身消耗的电流。静态电流越低，电池续航时间越长。

• 欠压锁定阈值（V_UVLO）：

• 上升沿阈值：约1.6V - 1.8V

• 迟滞：约50mV - 100mV

• 描述：当输入电压低于此阈值时，芯片会关闭；当输入电压高于此阈值加上迟滞电压时，芯片会重新启动。

7.2 输出电压

• 输出电压范围（V_OUT）：1.2V 至 5.5V

• 描述：通过外部电阻分压器可设置的输出电压范围。

• 输出电压精度：±1% - ±2%

• 描述：在推荐工作条件下，实际输出电压与设定输出电压之间的偏差。

• 输出电压纹波：

• PWM模式下：通常在10mV_pp - 30mV_pp (取决于负载、电容和电感)

• 功率节省模式下：可能略高，但仍在可接受范围

• 描述：输出电压上的交流分量，表示输出电压的稳定性。

7.3 内部参考电压

• 反馈参考电压（V_FB）：约500mV ±1%

• 描述：内部误差放大器用于与FB引脚电压进行比较的参考电压。

7.4 开关参数

• 开关频率（f_SW）：2.4MHz (典型值)

• 描述：芯片在PWM模式下的开关频率。

• 功率开关导通电阻（R_DS(on)）：

• 高侧开关（S1, S4）：约50mΩ - 100mΩ

• 低侧开关（S2, S3）：约50mΩ - 100mΩ

• 描述：内部MOSFET开关在导通状态下的电阻。越低意味着导通损耗越小，效率越高。

• 最大开关电流限制（I_LIMIT）：

• 典型值：约2.5A - 3.5A

• 描述：内部电流限制，用于防止过流损坏。

7.5 保护功能

• 过温关断阈值（T_SD）：约150°C - 170°C

• 描述：芯片内部温度达到此阈值时，芯片将关断。

• 过温迟滞：约10°C - 20°C

• 描述：芯片温度下降到此阈值以下时，芯片将重新启动。

7.6 使能/模式控制

• EN/MODE高电平阈值：约1.2V

• 描述：EN/MODE引脚电压高于此值时，芯片使能并强制PWM模式。

• EN/MODE低电平阈值：约0.3V

• 描述：EN/MODE引脚电压低于此值时，芯片关断。

• EN/MODE中等电平范围：0.3V 至 1.2V

• 描述：EN/MODE引脚电压在此范围时，芯片使能并工作在自动PWM/PSM模式。

8. 详细功能描述

TPS63020 的内部结构复杂而精巧，集成了多个功能模块，共同实现了其高性能的降压-升压转换功能。深入了解这些模块的工作原理有助于更好地理解芯片的整体行为和优化设计。

8.1 控制环路

TPS63020 的核心是一个精密的控制环路，它负责监测输出电压并根据需要调整开关占空比，以维持输出电压的稳定。该控制环路通常采用电压模式控制，并结合了电流模式控制的一些优点，以实现快速瞬态响应和稳定的环路性能。

• 误差放大器（Error Amplifier）：这是控制环路的第一级。它将反馈引脚（FB）上的实际输出电压（通过外部电阻分压器缩放后）与内部精确的参考电压（通常为500mV）进行比较。比较结果是一个误差信号，其大小和极性反映了输出电压与目标值之间的偏差。

• 补偿网络（Compensation Network）：误差放大器的输出通常会经过一个内部或部分外部的补偿网络。补偿网络的目的是确保控制环路的稳定性和快速响应。它通过调整环路的增益和相位来防止振荡，并优化对负载瞬态变化和输入电压波动的响应速度。TPS63020 通常采用内部补偿，简化了外部元件数量。

• PWM比较器（PWM Comparator）：补偿后的误差信号被送入PWM比较器。在PWM模式下，PWM比较器将误差信号与一个内部生成的固定频率斜坡波形进行比较。当误差信号高于斜坡波形时，控制信号导通功率开关；当误差信号低于斜坡波形时，控制信号关断功率开关。通过这种方式，误差信号被转换为一个可变的占空比，从而控制传递到输出端的能量。

• 振荡器（Oscillator）：提供固定开关频率（典型2.4MHz）的时钟信号，用于驱动PWM比较器和内部逻辑。高开关频率允许使用更小的外部电感和电容，从而减小了整体解决方案的尺寸。

• 电流检测（Current Sense）：虽然主要是电压模式控制，但TPS63020 也集成了电流检测功能，用于实现过流保护和优化模式切换。它监测流经功率开关的电流，并将此信息反馈给控制逻辑。

8.2 功率开关

TPS63020 内部集成了四个低导通电阻（RDS(on)）的N沟道和P沟道MOSFET功率开关。这四个开关构成了降压-升压转换器的核心功率级，它们通过精确的时序控制实现能量的储存和释放。

• 降压模式开关（Buck Switches）：通常由一个高侧P沟道MOSFET（连接VIN和SW1）和一个低侧N沟道MOSFET（连接SW2和GND）组成。

• 升压模式开关（Boost Switches）：通常由一个低侧N沟道MOSFET（连接VIN和SW3）和一个高侧P沟道MOSFET（连接SW4和VOUT）组成。

• 同步整流：所有四个开关都采用MOSFET而非二极管，实现了同步整流。这意味着在开关关断期间，电流通过另一个导通的MOSFET而不是二极管进行续流。由于MOSFET的导通电阻远低于二极管的正向压降，因此同步整流显著降低了功率损耗，从而提高了转换效率。

8.3 软启动（Soft Start）

软启动功能旨在在转换器启动时，逐步增加输出电压，而不是突然达到目标电压。这有几个重要的好处：

• 限制浪涌电流：在启动时，输出电容需要充电。如果没有软启动，充电电流可能会非常大，导致输入电源电压跌落，甚至损坏输入电源或芯片本身。软启动通过限制输出电压的上升速率来控制充电电流，从而避免了浪涌电流。

• 防止输入电源过载：对于电池等内阻较大的电源，浪涌电流可能导致电池电压瞬间跌落，甚至触发电池保护机制。软启动可以平稳地加载输入电源。

• 减少输出过冲：平稳的启动过程有助于避免输出电压在启动时出现过冲，从而保护连接到输出端的敏感负载。

TPS63020 通常集成了内部软启动电路，无需外部元件。软启动时间是固定的，通常在几百微秒到几毫秒之间。

8.4 保护功能

为了确保芯片和连接负载的可靠性，TPS63020 集成了多重保护机制：

• 过流保护（Overcurrent Protection, OCP）：

• 原理：芯片内部持续监测通过功率开关的电流。当检测到电流超过预设的限值时，过流保护电路会立即触发。

• 响应：通常，芯片会限制输出电流，或进入“打嗝模式”（Hiccup Mode）。在打嗝模式下，芯片会尝试启动，如果仍然过流，则再次关断，如此循环。这可以有效防止芯片在短路或严重过载情况下损坏。

• 重要性：保护芯片本身和外部电感、负载免受过大电流的损害。

• 过温保护（Thermal Shutdown, TSD）：

• 原理：芯片内部集成了一个温度传感器，用于监测芯片的结温。

• 响应：当结温超过预设的阈值（例如150°C）时，芯片会立即关断所有功率开关，停止工作。

• 恢复：当结温下降到安全范围（通常低于关断阈值约10°C-20°C的迟滞）后，芯片会自动重新启动。

• 重要性：防止芯片因过热而永久性损坏，尤其是在散热不良或环境温度过高的情况下。

• 欠压锁定（Under-Voltage Lockout, UVLO）：

• 原理：UVLO电路持续监测输入电压（VIN）。

• 响应：当VIN低于预设的UVLO阈值时，芯片会关闭，以防止在输入电压过低时出现不稳定或不可预测的行为。

• 恢复：当VIN回升到UVLO阈值加上迟滞电压时，芯片会自动重新启动。

• 重要性：保护芯片和负载免受输入电压过低时的不良影响，确保系统在电源电压不足时不会发生故障。

8.5 功率节省模式（Power Save Mode, PSM）

功率节省模式是TPS63020 在轻负载或空载条件下保持高效率的关键。

• 工作原理：在PSM模式下，芯片不再以固定的高频率进行开关。相反，它会进入一种脉冲跳跃模式。当输出电压达到预设的上限阈值时，芯片会停止开关，进入低功耗状态，此时静态电流消耗极低。输出电容会缓慢放电，当输出电压下降到预设的下限阈值时，芯片会短暂地进行一次或几次开关操作，为输出电容充电，使其电压再次回到上限阈值，然后再次停止开关。

• 优点：显著降低了轻负载时的平均静态电流消耗，从而延长了电池供电设备的续航时间。

• 缺点（相对而言）：由于开关是间歇性的，输出电压纹波在PSM模式下通常会略高于固定频率PWM模式。对于对纹波非常敏感的应用，可能需要考虑强制PWM模式。

• 控制：通过EN/MODE引脚可以控制芯片是否进入PSM。当EN/MODE引脚电压处于中等电平范围时，芯片自动进入PSM；当EN/MODE引脚电压为高电平时，芯片强制工作在PWM模式。

8.6 同步功能（Synchronization）

SYNC引脚提供了将TPS63020 的开关频率与外部时钟信号同步的能力。

• 工作原理：当一个外部时钟信号（通常是方波）施加到SYNC引脚时，TPS63020 的内部振荡器会尝试锁定到外部时钟频率。这意味着芯片的开关事件将与外部时钟的上升沿或下降沿对齐。

• 优点：

• 降低系统噪声：在包含多个开关电源的系统中，同步它们可以避免不同频率之间的拍频干扰，从而降低整体系统的电磁干扰（EMI）。

• 简化滤波设计：将开关噪声集中到一个已知频率上，可以更容易地设计滤波电路来抑制噪声。

• 避免敏感频段：如果系统中有对特定频率敏感的电路（如音频或RF），可以将开关频率同步到这些敏感频段之外，以避免干扰。

• 注意事项：外部同步信号的频率必须在TPS63020 支持的同步频率范围内。如果不需要同步，SYNC引脚可以悬空或连接到GND。

9. 应用信息

成功设计基于TPS63020 的电源转换电路需要仔细选择外部元件并进行合理的PCB布局。以下是关键的应用设计指导。

9.1 输入和输出电容器选择

输入和输出电容器是降压-升压转换器中至关重要的外部元件，它们对电路的性能、稳定性、纹波和瞬态响应有着直接影响。

• 类型：强烈推荐使用低ESR（等效串联电阻）的陶瓷电容器。陶瓷电容器具有低ESR、低ESL（等效串联电感）和良好的频率响应特性，非常适合高频开关电源。X5R或X7R介质的陶瓷电容器是理想选择，因为它们在宽温度范围内具有相对稳定的容量。

• 输入电容器（C_IN）：

• 作用：输入电容器的主要作用是平滑输入电压纹波，提供瞬态电流，以及吸收开关动作产生的纹波电流。

• 容量：通常建议使用至少10μF的输入电容。对于需要更高电流或更宽输入电压范围的应用，可能需要更大的容量（如22μF或47μF）。多个并联的较小电容可以降低总ESR和ESL，从而获得更好的性能。

• 电压额定值：电容器的电压额定值应至少是最大输入电压的1.5倍，以确保可靠性。

• 放置：输入电容必须尽可能靠近TPS63020 的VIN引脚和GND引脚放置，以最大限度地减小寄生电感和电阻。

• 输出电容器（C_OUT）：

• 作用：输出电容器的主要作用是平滑输出电压纹波，提供负载瞬态响应所需的电流，并稳定控制环路。

• 容量：通常建议使用至少10μF的输出电容。对于需要更低输出纹波或更好瞬态响应的应用，可能需要更大的容量（如22μF、47μF甚至100μF）。

• 电压额定值：电容器的电压额定值应至少是最大输出电压的1.5倍。

• 放置：输出电容必须尽可能靠近TPS63020 的VOUT引脚和GND引脚放置，以最大限度地减小寄生电感和电阻，从而降低输出纹波并改善瞬态响应。

9.2 电感选择

电感是降压-升压转换器中储存和释放能量的核心元件。正确的电感选择对转换效率、输出纹波和瞬态响应至关重要。

• 电感值（L）：

• 电感值过小：会导致电感电流纹波过大，增加开关损耗，降低效率，并可能导致在轻负载时更早进入PSM模式。

• 电感值过大：会增加电感的物理尺寸和成本，并可能降低瞬态响应速度。

• 范围：对于TPS63020，推荐的电感值通常在1.0μH至4.7μH之间。常见的选择是2.2μH。

• 影响：

• 计算：电感值的选择通常基于允许的电感电流纹波（ΔI_L），通常选择峰峰值纹波电流为最大输出电流的20%到40%。具体计算公式请参考官方数据手册。

• 饱和电流（I_SAT）：

• 电感的饱和电流额定值必须高于芯片的最大峰值电感电流。如果电感饱和，其电感值会急剧下降，导致电流失控，可能损坏芯片或外部元件。

• 最大峰值电感电流在降压和升压模式下有所不同，尤其在升压模式下，峰值电流可能远高于输出电流。

• 直流电阻（DCR）：

• 电感的直流电阻越低越好，因为它直接影响导通损耗，从而影响转换效率。选择低DCR的电感可以最大限度地提高效率。

• 物理尺寸和屏蔽：

• 选择尺寸适合PCB空间的电感。

• 屏蔽式电感（Shielded Inductor）是首选，因为它们能够有效抑制电磁辐射，降低EMI，避免对周围敏感电路的干扰。非屏蔽电感会产生更大的磁场，可能导致EMI问题。

9.3 反馈电阻选择

外部反馈电阻分压器用于设置TPS63020 的输出电压。

• 设置公式：V_OUT = V_FB * (1 + R1 / R2)

• 其中，V_FB 是内部反馈参考电压（典型值500mV），R1 是连接VOUT到FB的电阻，R2 是连接FB到GND的电阻。

• 电阻值：

• 为了减小静态功耗，R1和R2的总阻值不应过低。通常，R2可以选择在10kΩ到100kΩ之间。

• 为了避免噪声对反馈路径的影响，R1和R2的阻值也不应过高，否则反馈引脚对噪声更敏感。

• 精度：使用1%或更高精度的电阻可以确保输出电压的精度。

• 放置：反馈电阻分压器（R1和R2）应尽可能靠近FB引脚放置，并且连接FB引脚的走线应尽可能短且远离噪声源，以避免噪声耦合。

9.4 布局注意事项（Layout Considerations）

良好的PCB布局对于TPS63020 的性能至关重要，它直接影响效率、输出纹波、EMI和热性能。

• 高电流回路最小化：

• 输入回路：输入电容、VIN引脚和GND之间的回路应尽可能短且宽。

• 输出回路：输出电容、VOUT引脚和GND之间的回路应尽可能短且宽。

• 开关回路：电感、SW引脚和内部开关之间的回路应尽可能短且宽。这些是高频、大电流的开关节点，最小化回路面积可以显著降低EMI。

• 地平面：

• 使用大面积的GND平面。良好的地平面可以提供低阻抗的电流返回路径，降低地弹，并有助于散热。

• 将模拟地和功率地在单点连接，通常在GND引脚下方。

• 元件放置：

• 输入电容：紧邻VIN引脚和GND放置。

• 输出电容：紧邻VOUT引脚和GND放置。

• 电感：紧邻SW引脚放置。

• 反馈电阻：紧邻FB引脚放置，远离噪声源。

• 走线宽度：

• 高电流路径（VIN, VOUT, SW节点, GND）应使用宽而短的走线，以减小电阻和寄生电感，从而降低损耗和电压跌落。

• 敏感信号走线（FB, SYNC, EN/MODE）应尽可能短，并远离高电流和高频开关节点，必要时可进行屏蔽。

• 散热：

• 对于QFN封装，芯片底部的**散热焊盘（Exposed Pad）**必须通过多个过孔连接到大面积的GND平面，以提供有效的散热路径。这对于在高电流和高环境温度下保持芯片结温在安全范围内至关重要。

• 如果可能，在PCB的背面也铺设铜平面作为散热区域。

9.5 热管理

尽管TPS63020 具有高效率，但在高负载和高环境温度下，仍然会产生一定的热量。有效管理热量对于确保芯片的长期可靠性至关重要。

• 散热焊盘连接：如前所述，将QFN封装的散热焊盘通过多个热过孔连接到大面积的GND平面是首要的散热措施。

• 铜面积：在PCB上为芯片提供尽可能大的铜面积作为散热器。铜面积越大，散热效果越好。

• 气流：如果可能，在产品设计中考虑为电源部分提供良好的气流，以帮助散热。

• 负载降额：在极端温度或散热受限的情况下，可能需要对最大输出电流进行降额，以确保芯片结温不超过推荐的工作范围。

10. 典型应用电路

以下是TPS63020 几种典型的应用电路配置，它们展示了如何将芯片集成到实际系统中以满足不同的电源需求。

10.1 固定输出电压应用电路

这是最常见的应用配置，通过外部电阻分压器将输出电压设置为固定值。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     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

说明：

• C_IN：输入电容，通常为10μF或更大，放置在VIN和GND之间，靠近芯片。

• L：电感，通常为2.2μH，连接在SW引脚之间。

• C_OUT：输出电容，通常为10μF或更大，放置在VOUT和GND之间，靠近芯片。

• R1, R2：反馈电阻分压器，用于设置VOUT。根据 V_OUT = V_FB * (1 + R1 / R2) 计算。例如，如果V_FB = 0.5V，要输出3.3V，R2=10kΩ，则R1 = R2 * (V_OUT/V_FB - 1) = 10kΩ * (3.3/0.5 - 1) = 10kΩ * (6.6 - 1) = 56kΩ。

• EN/MODE：根据所需模式连接。

• 连接到VIN：强制PWM模式。

• 通过电阻分压器连接到VIN，使电压在0.3V-1.2V之间：自动PWM/PSM模式。

• 连接到GND：关断芯片。

• SYNC：如果不需要外部同步，可以悬空或连接到GND。

10.2 动态可调输出电压应用电路（通过微控制器）

在某些应用中，可能需要根据系统状态动态调整输出电压，例如为了优化功耗或适应不同工作模式。这可以通过在反馈路径中引入数字电位器或通过微控制器的PWM输出和低通滤波器来实现。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     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

说明：

• 通过改变R2的有效阻值（例如使用数字电位器），或者通过微控制器的DAC输出或PWM输出经过低通滤波后连接到R2，可以实现输出电压的动态调整。

• 这种方法允许系统根据负载需求或电池电量动态调整输出电压，从而优化整体系统功耗。

10.3 外部同步应用电路

当需要将TPS63020 的开关频率与其他电源或系统时钟同步时，可以使用SYNC引脚。

                    +-----------------+
                    |                 |
                    |     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

说明：

• 将一个外部时钟信号（例如微控制器的PWM输出或专用时钟芯片的输出）连接到SYNC引脚。

• 外部时钟的频率应在TPS63020 支持的同步频率范围内。

• SYNC引脚的输入信号电平应符合芯片的逻辑输入规范。

11. 封装信息

TPS63020 通常采用紧凑的14引脚QFN（Quad Flat No-lead）封装。QFN封装是一种无引脚的表面贴装封装，其特点是尺寸小、热性能好、寄生电感低，非常适合高频和功率应用。

11.1 封装类型

• 名称：VQFN-14 (或 WSON-14)

• 引脚数量：14

• 尺寸：典型尺寸为2.5mm x 2.5mm。

• 特点：

• 无引脚设计：引脚位于封装底部，通过焊盘与PCB连接，从而减小了封装尺寸。

• 裸露焊盘（Exposed Pad）：封装底部有一个较大的裸露金属焊盘，用于连接到PCB的地平面，主要作用是提供优异的散热路径和低阻抗地连接。

• 热性能：裸露焊盘通过热传导将芯片内部产生的热量有效地传递到PCB，有助于降低结温。

• 电气性能：由于引脚短且无引线，QFN封装的寄生电感和电容非常小，这对于高频开关电源的性能至关重要。

11.2 封装尺寸（典型值）

• 长度：2.5 mm

• 宽度：2.5 mm

• 高度：0.8 mm (典型值)

• 引脚间距（Pitch）：0.5 mm (典型值)

重要提示：

• 具体的封装尺寸、焊盘布局和推荐的PCB封装尺寸（Footprint）请务必参考德州仪器官方数据手册中的“封装信息”或“机械数据”部分。这些信息对于正确的PCB设计和制造至关重要。

• 在PCB设计中，裸露焊盘应与PCB的地平面通过多个过孔连接，以最大限度地提高散热效率。

12. 订购信息

TPS63020 系列芯片通常有不同的型号后缀，表示不同的封装、温度范围或卷带包装方式。在订购时，需要根据具体需求选择正确的型号。

• 基本型号：TPS63020

• 封装代码：例如，DSJ 可能表示14引脚QFN封装。

• 卷带代码：例如，R 或 T 可能表示卷带包装（Reel），用于自动化贴片机。

• 示例订购型号：

• TPS63020DSJR：这可能表示一个采用14引脚QFN封装（DSJ）的TPS63020，并以卷带形式（R）提供。

如何获取准确订购信息：

• 查阅官方数据手册：TI 的官方数据手册中会提供详细的订购信息表格，列出所有可用的型号、封装类型和包装选项。

• 访问TI官网：在德州仪器（TI）的官方网站上搜索“TPS63020”，可以找到产品页面，其中包含订购信息、库存情况和购买选项。

• 联系授权分销商：通过TI的授权分销商（如Digi-Key, Mouser, Arrow等）进行查询和订购。

13. 应用示例

TPS63020 的多功能性和高性能使其适用于各种电池供电和低功耗应用。以下是一些典型的应用场景：

13.1 电池供电的便携式设备

这是TPS63020 最主要的应用领域。其高效率和降压-升压能力使其成为延长电池续航时间的关键。

• 智能手机和平板电脑：为处理器、显示屏、无线模块（Wi-Fi, 蓝牙, LTE）等提供稳定的电源。当电池电压在充电和放电过程中波动时，TPS63020 能够确保这些组件获得恒定的电压。

• 可穿戴设备：如智能手表、健身追踪器、AR/VR眼镜等。这些设备对尺寸和功耗要求极高，TPS63020 的小封装和高效率非常适合。

• 便携式媒体播放器：为音频编解码器、显示屏和存储器供电。

• 数码相机：为图像传感器、处理器和闪光灯电路提供稳定电源。

• 便携式POS终端：为处理器、显示屏和打印机等组件供电，确保在电池电量变化时也能稳定工作。

13.2 工业和医疗应用

TPS63020 的高可靠性和宽工作温度范围使其也能在严苛的工业和医疗环境中发挥作用。

• 工业传感器和无线模块：为远程传感器节点、工业自动化设备中的无线通信模块供电。这些设备通常由电池供电，需要长时间运行。

• 智能仪表：如智能水表、电表、燃气表等，需要超低功耗和长电池寿命。

• 手持式医疗设备：如血糖仪、便携式心电图机、输液泵等。这些设备对电源的稳定性和可靠性要求极高，且通常由电池供电。

• 数据采集系统：为现场数据采集单元中的微控制器和模拟前端供电。

13.3 能量采集系统

在能量采集（Energy Harvesting）应用中，输入电压可能非常低且不稳定（如太阳能电池、热电发生器、振动能量采集器）。TPS63020 的宽输入电压范围和高效转换能力使其能够从这些低压、不稳定的能源中提取能量，并将其转换为可用的稳定电压，为无线传感器网络或其他低功耗设备供电。

13.4 USB供电应用

当设备通过USB端口供电时，输入电压通常为5V。如果内部电路需要3.3V或更低的电压，TPS63020 可以作为高效的降压转换器。如果需要更高的电压（虽然不常见，但某些应用可能需要），它也可以作为升压转换器。其自动模式切换功能确保了在USB电源波动时的稳定输出。

13.5 固态硬盘（SSD）和存储设备

在某些固态硬盘或便携式存储设备中，可能需要将主电源电压转换为内部NAND闪存或控制器所需的特定电压，TPS63020 可以提供高效的电源转换。

14. 故障排除

在使用TPS63020 进行设计和调试时，可能会遇到一些常见问题。了解这些问题的原因和解决方法有助于快速定位并解决故障。

14.1 输出电压不稳定或纹波过大

• 可能原因：

• 电容选择不当：输入或输出电容容量过小，ESR过高，或放置位置远离芯片。

• 电感饱和：电感饱和电流不足，导致在峰值电流时电感值下降，电流纹波增大。

• 反馈回路噪声：反馈电阻走线过长或靠近噪声源，导致噪声耦合到FB引脚。

• PCB布局不良：高电流回路面积过大，导致EMI问题和地弹。

• 负载过重：输出电流超过芯片的最大能力。

• 强制PWM模式：在轻负载下，如果强制PWM模式，纹波可能相对较高（相比PSM模式下，PSM模式下纹波通常更大，但效率更高）。

• 解决方法：

• 增加输入/输出电容容量，确保使用低ESR陶瓷电容，并将其紧密放置在芯片引脚旁。

• 选择饱和电流额定值更高的电感。

• 缩短反馈走线，远离高频开关节点，必要时进行屏蔽。

• 优化PCB布局，最小化高电流回路面积，并确保良好的地平面。

• 检查负载电流是否在芯片规格范围内。

• 如果对纹波敏感，在轻负载时考虑使用强制PWM模式（但会牺牲轻负载效率）。

14.2 芯片发热严重

• 可能原因：

• 负载电流过大：芯片输出的电流超过其散热能力。

• 散热不良：PCB散热焊盘未正确连接到大面积地平面，或热过孔不足。

• 效率低下：电感DCR过高，或输入/输出电容ESR过高，导致损耗增加。

• 环境温度过高：芯片工作在高温环境下。

• 电感饱和：电感饱和导致大电流，增加芯片损耗。

• 解决方法：

• 检查负载电流是否在芯片安全工作范围内，必要时降低负载。

• 确保QFN封装的裸露焊盘通过足够多的热过孔连接到大面积的铜地平面。

• 选择低DCR的电感和低ESR的电容。

• 改善系统散热，如增加散热面积，或提供气流。

• 检查电感是否饱和，选择合适的电感。

14.3 芯片无法启动或输出电压为0V

• 可能原因：

• 输入电压过低：VIN低于UVLO阈值。

• EN/MODE引脚设置错误：EN/MODE引脚被拉低（关断模式），或电压不在使能范围内。

• 短路保护触发：输出端存在短路或严重过载，导致芯片进入保护模式。

• 过温保护触发：芯片温度过高，进入热关断。

• 元件连接错误：电感、电容或反馈电阻连接错误。

• 芯片损坏：可能由于过压、过流或ESD事件导致芯片损坏。

• 解决方法：

• 检查输入电压是否在推荐范围内。

• 检查EN/MODE引脚的电压，确保其处于使能状态。

• 断开负载，检查输出端是否存在短路。

• 让芯片冷却，检查是否是过温保护触发。

• 仔细检查所有外部元件的连接是否正确，特别是电感和反馈电阻。

• 如果以上方法都无效，考虑更换芯片。

14.4 效率低于预期

• 可能原因：

• 电感选择不当：DCR过高，或饱和电流不足导致饱和。

• 电容ESR过高：输入/输出电容的ESR过高，导致纹波电流损耗增加。

• PCB布局不良：高电流路径阻抗过大，导致导通损耗增加。

• 工作模式选择：在轻负载下强制PWM模式，而不是功率节省模式。

• 开关频率：虽然TPS63020 频率固定，但如果外部同步频率设置不当，也可能影响效率。

• 解决方法：

• 选择低DCR、高饱和电流的电感。

• 使用低ESR的陶瓷电容。

• 优化PCB布局，确保高电流路径短而宽。

• 在轻负载应用中，考虑使用自动PWM/PSM模式以提高轻负载效率。

• 确保外部同步频率在推荐范围内。

15. 结论

TPS63020 是一款功能强大、高效且高度集成的降压-升压DC/DC转换器，为各种电池供电和低压应用提供了卓越的电源管理解决方案。其独特的能力在于能够在输入电压高于、低于或等于输出电压的任何情况下，都能保持高效率和稳定的输出。

该芯片的主要优势包括：高达96%的转换效率，显著延长电池续航时间；宽输入电压范围（1.8V至5.5V），兼容多种电源；可编程输出电压（1.2V至5.5V），提供设计灵活性；以及最重要的自动降压-升压模式切换，确保了在整个输入电压范围内的无缝操作和高效率。此外，其集成的功率节省模式、外部同步功能和全面的保护机制（如欠压锁定、过温保护和过流保护）进一步提升了系统的可靠性和鲁棒性。

小巧的14引脚QFN封装使得TPS63020 非常适合空间受限的便携式设备，如智能手机、可穿戴设备和医疗设备。通过仔细选择外部元件（低ESR陶瓷电容、低DCR高饱和电流电感）和遵循良好的PCB布局实践，设计者可以充分发挥TPS63020 的性能潜力，实现高效、稳定且紧凑的电源解决方案。

总而言之，无论您是设计下一代智能设备，还是需要为工业或医疗应用提供可靠的电源，TPS63020 都是一个值得信赖的选择，它能够帮助您实现更长电池寿命、更小尺寸和更高性能的产品。