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基于TPS54610的同步降壓DC/DC電源設計

發布時間:2010-9-1 09:06    發布者:techshare
1 引言

TPS54610是一款低電壓輸入高電流輸出的同步降壓DC/DC控制器,它內含30MΩ、12A峰值電流的MOSFET開關管,可輸出6A電流,輸出電壓從0.9V到3.3V可調,精確率可達1%,脈寬調制頻率既可固定在350kHz或550kHz,也可以在280kHz到700kHz之間調整;另外,它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關斷電路。TPS54610集成化的設計減少了元件數量和體積。因此,可廣泛用于低電壓輸入高電流輸出的分散電源系統(如DSPFPGA、A-SIC、微處理器電源,寬帶網絡和光纖通訊以及便攜式筆記本電腦的電源系統)中。

2 TPS54610的引腳功能



TPS54610采用28腳TSSOP封裝。其引腳排列如圖1所示,各引腳功能如下:

AGND(1腳):模擬地。

BOOT(5腳):自舉電路輸出,在BOOT腳和PH腳間應連接0.02~0.1μF的電容

COMP(3腳):誤差放大器輸出,COMP腳與VSENSE腳間應接頻率補償電路。

PGND(15~19腳):電源地,使用時應與AGND單點連接。

PH(6~14腳):相輸出,功率MOSFET高低端與輸出電感的連接點。

PWRGD(4腳):“電源好”輸出,當VSENSE端的電壓高于Vref的90%時,輸出為高;否則為低。注意:當SS/ENA引腳為低或內部SHUTDOWN有效時,該引腳始終為低。

RT(28腳):頻率設置電阻輸入,在RT和AGND間連接一個電阻可以設置開關頻率,當使用SYNC端時,通過RT設置的頻率應稍低于外部振蕩器的頻率。

SS/ENA(26腳):軟啟動/輸入輸出使能端,可提供控制器允許工作邏輯,該腳的另一個功能是通過外接電容來設置軟啟動時間。

SYNC(27腳):同步輸入,可提供外部振蕩器同步邏輯信號,此時要求RT引腳必須連接一個電阻,在內部振蕩時用于開關頻率的切換。

VBIAS(25腳):內部偏壓調節,與AGND引腳間應接一個0.1μF~1μF的陶瓷電容。

VIN(20~24腳):電源輸入,與PGND間應連接10μF的陶瓷電容。

VSENSE(2腳):誤差電壓放大器反向輸入,可通過補償和分壓電路與輸出端相連。

3 電路設計

3.1 內部補償和外部補償

內部補償和外部補償是TI公司電源控制芯片采用的兩種不同的電路形式。采用內部補償的控制器力求減少外部元件的數量和印制板的尺寸,因此電路簡單,并可采用軟件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)來設計。但內部補償控制器存在兩個缺點,第一是內部補償控制器的降壓變換電路只能獲得固定的電壓輸出,如TPS54611獲得的輸出電壓固定為0.9V,而TPS54616獲得的輸出電壓固定為3.3V;另一個缺點是內部補償限制了輸出電容和電感的選擇。很多情況下,出于各種考慮,如輸出電壓可調、輸出電容和電感利用率和費用的要求,不允許采用內部補償方式。在這種情況下,外部補償芯片TPS54610便能提供更好的解決方案。下面介紹的就是基于TPS54610外部補償結構的電路構成及設計方法。

3.2 電路設計步驟

圖2所示是以TPS54610為核心的外部補償降壓變換電路。現以該電路為例說明其設計方法。



1)開關頻率的選擇

當SYNC引腳接地時,開關頻率為350kHz,當SYNC接輸入電源電壓時,開關頻率為550kHz。為了獲得可以調整的開關頻率,可在RT引腳和地之間接一個外部電阻R1以使其頻率可以在280~700kHz之間進行調整。開關頻率與R1的對應關系如圖3所示,這種情況下,SYNC應斷開。從圖中可以看出,100kΩ對應的開關頻率為500kHz,其實際誤差在±8%以內。



2)輸入電容的選擇

輸入解耦電容C2可用來減少高頻噪聲,設計時可選擇1μF~10μF的陶瓷電容,并應盡量靠近集成芯片安裝。

降壓輸入電容C1可用于減少輸入紋波電壓。但如果解耦電容已足夠濾波,可不設置該電容。為了確定是否需要該電容,首先要確定最大允許紋波電壓。為確保能夠正常工作,TPS54610的紋波電壓峰峰值不允許超過300mV。

3)輸出濾波元件的選擇

輸出濾波電路由輸出電感L1和輸出電容COUT(圖2中C8、C9、C10)組成。和內部補償控制器相比,TPS54610對這兩個元件的選擇通常限制不大。

4)補償元件的選擇

反饋補償電路包含元件圖中的R2、R3、R5、R6,元器件的選取方法有多種,定性和較寬的帶寬。 先應考慮的是補償誤差放大次,補償誤差放大器應將到100mV左右,另外,電路總的回路串擾頻率應小于開關頻率的1/8,同時相角裕量至少應為45°。

通過圖2中補償元件的參數設計可將總的回路響應串擾頻率范圍限制在10~0kHz,相位裕量范圍設定在0~90°之間。圖中各電阻的偏差應小于1%,電容偏差應小于10%。

5)偏置電路和自舉電容的選擇

偏置電容C4一般采用0.1μF的陶瓷電容,并置于VBIAS和AGND之間。自舉電容C7一般采用0.022~0.1μF的陶瓷電容,并將其連接在BOOT引腳和PH之間。

6)軟啟動時間的選擇

TPS54610內部含有軟啟動電路,可用來控制啟動時輸出電壓的上升時間,內部慢啟動時間設置為3.6ms。另外,通過在SS/ENA引腳連接軟啟動電容C3可使其輸出電壓的上升時間超過內部設置值,軟啟動電容的選擇可由下式得到: Css=5 tss/0.891式中,tss為軟啟動時間。

軟啟動一般從輸入電壓超過3V的啟動閾值電壓開始,之后,如果使用內部軟啟動電路,輸出電壓將開始以線性方式上升到輸出電壓值,而如果外接有軟啟動電容,輸出電壓將經過固定的延時tDELAY后開始上升,tDELAY取決于軟啟動電容的取值,它可由下
式計算:

tDELAY=1.2 CSS/5μF

采用上述參數設計的圖2電路的輸出電壓為1.8V,輸出電流可達6A,開關頻率為680kHz。電路中的輸出濾波電容由C8、C9、C10共同組成。
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