基于TPS40055的12V轉(zhuǎn)1.8V 15A電源設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代電子應(yīng)用中，將12V總線轉(zhuǎn)換為低至1.8V的數(shù)字電壓的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)電流的要求范圍也很廣，從低于1A到超過(guò)15A。為了實(shí)現(xiàn)高效且小尺寸的電路設(shè)計(jì)，德州儀器（TI）的TPS40055寬輸入同步降壓控制器成為了一個(gè)不錯(cuò)的選擇。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下基于TPS40055的12V轉(zhuǎn)1.8V 15A電源設(shè)計(jì)。

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評(píng)估套件重要注意事項(xiàng)

TI提供的評(píng)估套件僅用于工程開(kāi)發(fā)或評(píng)估目的，不適合商業(yè)使用。該套件可能在設(shè)計(jì)、營(yíng)銷和制造相關(guān)的保護(hù)考慮方面不完整，可能不符合歐盟電磁兼容性指令。如果套件不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付后30天內(nèi)退貨全額退款。用戶需承擔(dān)貨物的正確和安全處理責(zé)任，并賠償TI因貨物處理或使用而產(chǎn)生的所有索賠。產(chǎn)品可能未符合法規(guī)要求或獲得相關(guān)認(rèn)證，用戶需注意靜電放電防護(hù)。

動(dòng)態(tài)警告和限制

• 輸入電壓范圍：EVM需在0VDC至14VDC的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，超出此范圍可能導(dǎo)致意外操作和/或不可逆轉(zhuǎn)的損壞。如有疑問(wèn)，連接輸入電源前請(qǐng)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。
• 輸出負(fù)載范圍：施加超出指定輸出范圍的負(fù)載可能導(dǎo)致意外操作和/或可能的永久性損壞。連接負(fù)載前請(qǐng)查閱用戶指南，不確定負(fù)載規(guī)格時(shí)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。
• 溫度注意事項(xiàng)：正常運(yùn)行時(shí)，部分電路組件外殼溫度可能超過(guò)50°C。只要保持輸入和輸出范圍，EVM設(shè)計(jì)可使某些組件在高于50°C的情況下正常運(yùn)行。操作時(shí)靠近這些設(shè)備放置測(cè)量探頭需注意其可能很燙。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)

• 高效轉(zhuǎn)換：在6A時(shí)峰值效率達(dá)92%，15A時(shí)峰值效率達(dá)88%。
• 穩(wěn)定輸出：可提供1.8V、15A的穩(wěn)定輸出。
• 寬輸入范圍：輸入電壓范圍為10Vpc至14Vpc。
• 小尺寸設(shè)計(jì)：采用1.4" x 2.5"的SMT設(shè)計(jì)，組件位于單面。
• 高精度調(diào)節(jié)：線路/負(fù)載調(diào)節(jié)率小于0.5%。
• 高頻運(yùn)行：工作頻率為300kHz。
• 良好的瞬態(tài)響應(yīng)：10A負(fù)載階躍時(shí)瞬態(tài)偏差為60mV。

組件選擇

TPS40055設(shè)備選擇

TPS4005x系列提供多種輸出電流配置，本設(shè)計(jì)選擇具有源/匯能力的TPS40055，可保持連續(xù)電感紋波電流至零負(fù)載，防止電感電流進(jìn)入不連續(xù)電流模式，改善小信號(hào)環(huán)路響應(yīng)。該系列采用TI的PWP PowerPAD熱增強(qiáng)封裝，熱阻(theta_{JC}=2^{circ} C / W)，有助于降低結(jié)溫上升，同時(shí)保持高組件可靠性。

工作頻率

TPS40055的時(shí)鐘振蕩器頻率通過(guò)一個(gè)從RT（引腳2）到信號(hào)地的單個(gè)電阻編程。對(duì)于300kHz的工作頻率，R2選擇為165kΩ。同時(shí)，通過(guò)連接到VIN的電阻(R{KFF})編程PWM斜坡時(shí)間和電路啟動(dòng)電壓，對(duì)于300kHz的振蕩器頻率，(R{KFF})選擇為71.5kΩ。

UVLO電路

TPS4005x內(nèi)置的用戶可編程UVLO為短于七個(gè)周期的瞬態(tài)提供滯后。在本設(shè)計(jì)中，添加C1和D1形成峰值檢測(cè)器，提供偏置源以改變可編程UVLO關(guān)機(jī)點(diǎn)。R4選擇為提供20% (I{KFF})的滯后電流，典型情況下，(V{PD}=8V)，R4選擇為243kΩ，測(cè)試顯示啟動(dòng)電壓為9.2V，關(guān)機(jī)電壓為8.5V。

電感值

輸出電感L1的值根據(jù)公式(L=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }} × 1-frac{V{OUT }}{V{IN (min )}})選擇，當(dāng)(I{RIPPLE})為(I{OUT(max)})的20%（即3A）時(shí)，電感值為1.7μH。

輸入電容選擇

輸入電容的選擇基于允許的輸入電壓紋波和所需的RMS電流承載能力。對(duì)于本設(shè)計(jì)，選擇兩個(gè)22μF、16V、X5R陶瓷電容（C12、C14），它們能夠滿足輸入電壓紋波約250mV的要求，且每個(gè)電容可承載約4ARMS電流。

輸出電容選擇

輸出電容的選擇考慮多個(gè)因素，最小允許輸出電容根據(jù)電感紋波電流和允許的輸出紋波確定，本設(shè)計(jì)中(C_{OUT(min)})為83μF。為了在保持緊湊的同時(shí)維持瞬態(tài)響應(yīng)能力，選擇兩個(gè)470-μF POSCAP電容（C16、C17）并聯(lián)，并添加一個(gè)47-μF、6.3-V陶瓷電容C15以抑制高頻噪聲。

MOSFET選擇

為了優(yōu)化電路效率，選擇合適的MOSFET至關(guān)重要。上開(kāi)關(guān)Q1選擇日立HAT2168H MOSFET，具有低柵極電荷和低(R{DS(on)})，可最小化開(kāi)關(guān)損耗；下側(cè)整流開(kāi)關(guān)Q2選擇日立HAT2167H，具有稍高的柵極電荷但更低的(R{DS(on)})，可最小化傳導(dǎo)損耗。同時(shí)，在高電流設(shè)計(jì)中，跨接Q2放置一個(gè)肖特基二極管D2以承載短路條件下的部分高循環(huán)電流。

短路保護(hù)

TPS40055通過(guò)比較頂部MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電壓與引腳16內(nèi)部10μA電流源在(R{LIM})上產(chǎn)生的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。(R{LIM})的值根據(jù)公式計(jì)算，選擇標(biāo)準(zhǔn)值16.2kΩ以確保在電流限制激活前可提供至少15A的電流。同時(shí)，并聯(lián)一個(gè)小電容C7以過(guò)濾信號(hào)。

緩沖組件選擇

最初，Q1、Q2和L1的節(jié)點(diǎn)在接近100MHz的頻率下振蕩，峰值電壓接近30V。添加C13將高頻振蕩分流到地，使峰值電壓降至25V以下。

補(bǔ)償組件

TPS40055采用帶前饋的電壓模式控制和高頻誤差放大器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提供兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)，以改善DC調(diào)節(jié)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

測(cè)試設(shè)置

DC輸入源

輸入電壓源應(yīng)能夠提供10VDC至14VDC的電壓，額定電流至少為4A。為獲得最佳效果，輸入引線應(yīng)使用18AWG或更大的電線。

輸出負(fù)載

輸出負(fù)載可以是電子負(fù)載或電阻負(fù)載，配置為吸取0A至15A的電流。輸出引線應(yīng)使用16AWG或更大直徑的電線。通過(guò)將電壓表連接到TP9和TP10來(lái)監(jiān)測(cè)PCB上的輸出電壓，以防止PCB走線和輸出端子塊引起的電壓降導(dǎo)致測(cè)量誤差。

示波器探頭測(cè)試插孔

包含一個(gè)示波器探頭測(cè)試插孔（TP8），用于監(jiān)測(cè)輸出電壓紋波。

風(fēng)扇

由于EVM沒(méi)有蓋子，用戶可以探測(cè)內(nèi)部電路節(jié)點(diǎn)。正常運(yùn)行時(shí)，部分組件可能會(huì)發(fā)熱（高于60°C），在滿載或接近滿載運(yùn)行時(shí)應(yīng)使用風(fēng)量超過(guò)15cfm的小風(fēng)扇。

測(cè)試結(jié)果和性能數(shù)據(jù)

效率和功率損耗

負(fù)載從1A變化到超過(guò)15A時(shí)，典型效率在3A至12A的負(fù)載范圍內(nèi)保持超過(guò)90%。

閉環(huán)性能

通過(guò)相關(guān)測(cè)試可以評(píng)估系統(tǒng)的整體增益和相位。

輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)

(I_{OUT}=15A)時(shí)，典型輸出電壓紋波小于20mVpp。負(fù)載從5A階躍到15A時(shí)，電壓偏差小于60mV。

EVM組裝圖和PCB布局

文檔提供了EVM的頂部組件組裝圖、頂部銅層、內(nèi)部層1銅層、內(nèi)部層2銅層和底部銅層的布局圖，為實(shí)際組裝和設(shè)計(jì)提供了參考。

材料清單

文檔列出了評(píng)估板的零件值，包括電容、電阻、二極管、MOSFET、電感等組件的規(guī)格和型號(hào)，這些值可以根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行修改。

總之，基于TPS40055的12V轉(zhuǎn)1.8V 15A電源設(shè)計(jì)在效率、輸出穩(wěn)定性和尺寸等方面都具有良好的表現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求對(duì)組件進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些類似設(shè)計(jì)的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。