TPS40021EVM?001 高效同步降壓轉(zhuǎn)換器評(píng)估模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，高效的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。TPS4002x 系列設(shè)備是低輸入電壓同步、電壓模式降壓控制器，基于 TPS40000 產(chǎn)品構(gòu)建，通過(guò)用戶可編程性提供了增強(qiáng)的操作和設(shè)計(jì)靈活性。預(yù)測(cè)柵極驅(qū)動(dòng)和電荷泵/升壓電路的結(jié)合，造就了高效、小巧且低成本的轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、基站、DSP 電源和電信應(yīng)用等領(lǐng)域。

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本文將詳細(xì)介紹 TPS40021EVM?001 評(píng)估模塊（HPA009），這是一個(gè)使用 TPS400021 PWM 控制器實(shí)現(xiàn)從 3.3 V 降壓到 1.5 V 的應(yīng)用。該評(píng)估模塊的規(guī)格如下：

• 輸入電壓：(2.5 V ≤V_{IN} ≤5.0 V)
• 標(biāo)稱(chēng)電壓：3.3 V
• 輸出電壓 (V_{OUT})：1.5 V
• 輸出電流 (I_{OUT})：20 A
• 開(kāi)關(guān)頻率：300 kHz

二、設(shè)計(jì)過(guò)程

1. 頻率設(shè)置

選擇開(kāi)關(guān)頻率需要權(quán)衡利弊。頻率越高，所需的電感和電容越小，從而減小尺寸，但開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加，效率會(huì)降低。對(duì)于本評(píng)估模塊，選擇 300 kHz 以實(shí)現(xiàn)合理的效率和尺寸。通過(guò)連接從引腳 7 到地的電阻 R4 來(lái)編程振蕩器頻率，近似工作頻率計(jì)算公式為： [R 4(k Omega)=frac{35.4}{f_{OSC}(MHz)} approx 118 k Omega] 因此，選擇 118 - kΩ 的電阻用于 300 kHz 的操作。

2. 電感值

電感值可通過(guò)以下公式計(jì)算： [L{(min )}=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }} timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN(max )}}right)] 其中 (I{RIPPLE}) 是流經(jīng)電感的紋波電流，它會(huì)影響輸出電壓紋波和磁芯損耗?；?20% 的紋波電流和 300 kHz 的頻率，計(jì)算出電感值為 0.76 μH，選擇了 0.75 - μH 的電感（型號(hào)為 CDEP149?0R7）。該電感的 ESR 為 1.1 mΩ，損耗為 440 mW，約占輸出功率的 1.5%。

3. 輸入和輸出電容

輸出電容及其 ESR 的計(jì)算公式如下： [C{OUT (min )}=frac{I{RIPPLE }}{8 × f × V{RIPPLE }}] [ESR{OUT }=frac{V{RIPPLE }}{I{RIPPLE }}] 當(dāng)輸出電壓紋波為 1% 時(shí)，所需電容至少為 114 μF，其 ESR 應(yīng)小于 3.7 mΩ。使用了三個(gè)三洋的 2.5 - V、470 - μF POSCAP 電容，每個(gè)電容的 ESR 為 10 mΩ。 所需輸入電容通過(guò)以下公式計(jì)算： [C{IN(min )}=I{OUT(max )} × D{(max )} × frac{T{S}}{V_{RIPPLE }}] 計(jì)算值約為 348 μF。使用了三個(gè) 6.3 - V、330 - μF POSCAP 電容，ESR 為 10 mΩ，以處理 10 A 的 RMS 輸入電流。此外，還使用了兩個(gè)陶瓷電容來(lái)降低開(kāi)關(guān)紋波電流。

4. 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

本評(píng)估模塊采用電壓模式控制，使用 R2、R7、R8、C14、C15 和 C16 構(gòu)成 Type - III 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。功率級(jí)的 L - C 頻率約為 4.9 - kHz，ESR 零點(diǎn)約為 34 kHz。為實(shí)現(xiàn)合理的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，整體交叉頻率 (f{0 db}) 選擇為 43 - kHz。補(bǔ)償器的兩個(gè)零點(diǎn) (f{Z 1}) 和 (f{Z 2}) 分別設(shè)置為 2.4 kHz 和 4 kHz，兩個(gè)極點(diǎn) (f{P 1}) 和 (f{P 2}) 分別設(shè)置為 34 kHz 和 115 kHz。極點(diǎn)和零點(diǎn)的頻率由以下公式定義： [f{z 1}=frac{1}{2 pi × R 7 × C 14}] [f{z 2}=frac{1}{2 pi × R 2 × C 11} (假設(shè) R 2 gg R 8 )] [f{P 1}=frac{1}{2 pi × R 8 × C 11}] [f_{P 2}=frac{1}{2 pi × R 7 × C 12} (假設(shè) C 14 gg C 12 )] 補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)計(jì)算公式為： [A(s)=frac{(1+s × C 14 × R 7) times[1+s × C 11 times(R 2+R 3)]}{s × R 2 × C 14 timesleft[left(1+frac{C 12}{C 14}right)+s × R 7 × C 12right] times(1+s × R 8 × C 11)}] 閉環(huán)增益和相位圖顯示，整體交叉頻率約為 30 kHz，相位裕度為 57°。

5. MOSFET 和二極管

對(duì)于 1.5 - V 的輸出電壓，MOSFET 的 (R{DS}(on)) 越低，效率越高。由于高電流和高傳導(dǎo)損耗，MOSFET 應(yīng)具有非常低的導(dǎo)通電阻（(R{DS}(on))）和熱阻。選擇 Si7858DP 是因?yàn)槠涞?(R_{DS}(on))（在 3 mΩ 到 4 mΩ 之間）和 Power - Pak 封裝。

6. 電流限制

電阻 R3 設(shè)置過(guò)流限制閾值。上 MOSFET 的 (R{DS}(on)) 用作電流傳感器。電流限制初始設(shè)置為最大輸出電流 (I{OUT(max)}) 的 40% 以上，即 28 A。R3 可通過(guò)以下公式計(jì)算： [I{LIM}=left(20 × frac{V{REF}}{R 4}right)=left(20 × frac{0.7 V}{118 k Omega}right)=118.6(mu A)] [R 3=frac{K × R{D S( on )} × I{OUT }}{I{LIM }(mu A)}=frac{1.5 × 4( m Omega) × 28 A}{I{LIM }(mu A)}=1.43(k Omega)] 其中 (R{DS (on) }) 是 Q1 的導(dǎo)通電阻（4 mΩ），溫度系數(shù) (K = 1.5)，(V{REF}=0.7 V)，(R 4 = 118 k Omega)。

7. 電壓感測(cè)調(diào)節(jié)器

R1 和 R2 作為輸出電壓分壓器。內(nèi)部參考電壓 (V{REF}) 為 0.7 V。輸出電壓和分壓器之間的關(guān)系由以下公式描述： [frac{V{REF }}{R 1}=frac{V_{OUT }}{R 1+R 2} to frac{0.7 V}{R 1}=frac{1.5 V}{R 1+10 k Omega} to R 1=8.66 k Omega]

8. 瞬態(tài)比較器

輸出電壓瞬態(tài)比較器提供快速響應(yīng)，以應(yīng)對(duì)輸出電壓瞬變。通過(guò) OSNS 引腳的電阻分壓器（使用 R5 和 R6）感測(cè)輸出電壓。如果檢測(cè)到過(guò)壓情況，HDRV 柵極驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，LDRV 柵極驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟，直到輸出恢復(fù)到規(guī)定值。同樣，如果檢測(cè)到輸出欠壓情況，HDRV 柵極驅(qū)動(dòng)占空比達(dá)到 95%，以快速提升輸出電壓。電壓分壓器應(yīng)與 PWM 比較器的輸出電壓傳感器保持相同的比例。在本評(píng)估模塊中，電阻 (R 5 = 8.66 k Omega) 和 (R 6 = 10 k Omega)。

三、測(cè)試結(jié)果

1. 效率曲線

不同負(fù)載和輸入電壓下的測(cè)試效率如圖所示。在 1.5 - V 輸出時(shí)，最大效率高達(dá) 92.4%。當(dāng)負(fù)載電流 (I_{LOAD}) 為 20 A 時(shí)，效率約為 87.7%。

2. 典型操作波形

典型操作波形展示了開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形和輸出紋波。輸出紋波在 20 - A 輸出時(shí)約為 15 mVP - P。

3. 瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波電壓

當(dāng)負(fù)載從 0 A 變化到 13 A 時(shí)，過(guò)沖電壓約為 80 mV，下沖約為 60 mV。當(dāng)瞬態(tài)比較器觸發(fā)時(shí)，電源良好（PG）信號(hào)變低。使用瞬態(tài)比較器比不使用時(shí)的穩(wěn)定時(shí)間快 10 - μs。

四、PCB 布局

評(píng)估板的元件放置和 PCB 布局如圖所示。所有組件都位于板的頂部，底部是接地層。為了散熱，印刷電路板制作得較大。

五、材料清單

表中列出了評(píng)估板的元件值，這些值可以根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行修改。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否也遇到過(guò)類(lèi)似的參數(shù)選擇和性能優(yōu)化問(wèn)題呢？對(duì)于這種高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，你有什么獨(dú)特的見(jiàn)解或經(jīng)驗(yàn)可以分享嗎？