基于TPS56xx控制器的高密度同步降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，同步降壓轉(zhuǎn)換器因其高效、緊湊等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。今天給大家分享一下基于TI的TPS56xx控制器設(shè)計(jì)同步降壓轉(zhuǎn)換器的相關(guān)內(nèi)容。

文件下載：TPS5615EVM-114.pdf

一、同步降壓轉(zhuǎn)換器概述

1.1 同步降壓調(diào)節(jié)器工作原理

同步降壓轉(zhuǎn)換器是傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器的一種變體。主開(kāi)關(guān)器件通常是功率MOSFET，其驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器相同。不同的是，續(xù)流整流器（通常是肖特基器件）被功率MOSFET所取代，并且與主開(kāi)關(guān)器件以互補(bǔ)或同步的方式驅(qū)動(dòng)，即一個(gè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)截止。這樣做的好處是續(xù)流MOSFET的導(dǎo)通壓降小于原續(xù)流整流器的正向壓降，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。但在使用同步降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題是防止兩個(gè)功率MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，因此需要設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。

1.2 滯環(huán)控制工作原理

滯環(huán)控制，也稱(chēng)為bang - bang控制或紋波調(diào)節(jié)器控制，能將輸出電壓維持在以?xún)?nèi)部參考電壓為中心的滯環(huán)帶內(nèi)。當(dāng)輸出電壓處于或低于參考電壓減去滯環(huán)帶的一半時(shí)，TPS56xx會(huì)關(guān)閉低端MOSFET并開(kāi)啟高端MOSFET，使輸出電壓升高；當(dāng)輸出電壓達(dá)到或超過(guò)參考電壓加上滯環(huán)帶的一半時(shí)，高端MOSFET關(guān)閉，低端MOSFET開(kāi)啟，輸出電壓降低。這種控制方法能使輸出電壓快速響應(yīng)負(fù)載或輸入電壓的瞬變，且無(wú)需誤差放大器的傳感和調(diào)整延遲，也不存在環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)和輸入濾波器交互問(wèn)題。

二、設(shè)計(jì)策略與規(guī)格

2.1 設(shè)計(jì)策略

SLVP111 - 114評(píng)估模塊（EVM）針對(duì)5V主輸入電壓和6A輸出電流進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)控制器還需要一個(gè)額外的低電流12V（最大30mA）輸入電壓。這些EVM與SLVP104/105/106/115評(píng)估板引腳兼容，采用表面貼裝元件，尺寸更小。TPS56xx控制器可提供四種常見(jiàn)的輸出電壓級(jí)別，通過(guò)調(diào)整外部電阻分壓器還可微調(diào)輸出電壓。

2.2 設(shè)計(jì)規(guī)格總結(jié)

TPS56xx系列控制器具有多種調(diào)節(jié)功能，包括參考電壓精度在±1%以?xún)?nèi)、遠(yuǎn)程感應(yīng)輸入、欠壓鎖定、過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等。同時(shí)，它還有邏輯電平抑制輸入和電源良好輸出。具體的EVM轉(zhuǎn)換器操作規(guī)格包括輸入電壓范圍、靜態(tài)電壓公差、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出電流范圍、電流限制、工作頻率、輸出紋波和效率等。

三、設(shè)計(jì)流程

3.1 TPS56xx功能

3.1.1 Vcc欠壓鎖定

Vcc欠壓鎖定電路在電源啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)Vcc低于10V啟動(dòng)閾值時(shí)禁用控制器，此時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)器為低電平，軟啟動(dòng)電容短路。當(dāng)Vcc超過(guò)啟動(dòng)閾值時(shí)，軟啟動(dòng)電容短路解除，轉(zhuǎn)換器正常工作，且該電路具有2V的滯環(huán)以提高抗噪能力。

3.1.2 抑制功能

抑制電路是一個(gè)具有2.1V啟動(dòng)電壓和100mV滯環(huán)的比較器。當(dāng)抑制信號(hào)為低電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器為低電平，軟啟動(dòng)電容放電；當(dāng)抑制信號(hào)高于啟動(dòng)閾值時(shí)，軟啟動(dòng)電容短路解除，轉(zhuǎn)換器正常工作。

3.1.3 軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)可減少上電瞬變。TPS56xx中的軟啟動(dòng)電路通過(guò)內(nèi)部電流源對(duì)連接在SLOWST和ANAGND之間的電容C21充電，輸出電壓在啟動(dòng)期間跟隨軟啟動(dòng)電容上的電壓。軟啟動(dòng)時(shí)間和電容值的選擇可根據(jù)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間要求進(jìn)行調(diào)整。

3.1.4 滯環(huán)設(shè)置

滯環(huán)設(shè)置決定了輸出電壓紋波。通過(guò)兩個(gè)外部電阻設(shè)置滯環(huán)，使其以VREF為中心。在計(jì)算輸出電壓紋波時(shí)，需要考慮傳播延遲帶來(lái)的額外紋波。

3.1.5 噪聲抑制

為提高抗噪能力，TPS56xx增加了噪聲抑制電路，包括內(nèi)部低通濾波器、共模濾波器和雙脈沖抑制電路。同時(shí)，建議在VO和VSENSE引腳之間添加低通濾波器。

3.1.6 過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)通過(guò)測(cè)量高端MOSFET的導(dǎo)通電壓并與參考電壓比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輸出電流超過(guò)電流限制設(shè)定點(diǎn)時(shí)，故障鎖存器置位，輸出驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉。

3.1.7 過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)VO超過(guò)Vref的15%時(shí)，故障鎖存器置位，輸出柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉。同時(shí)，LODRV電路可在高端功率MOSFET短路時(shí)保護(hù)處理器。

3.1.8 電源良好

電源良好電路監(jiān)測(cè)VO的欠壓情況，當(dāng)VO低于VREF的93%時(shí)，PWRGD輸出拉低。

3.1.9 偏置

模擬偏置引腳（BIAS）為內(nèi)部TPS56xx電路提供安靜的偏置電源，外部負(fù)載不應(yīng)由該偏置調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)。

3.1.10 柵極驅(qū)動(dòng)器

柵極驅(qū)動(dòng)器能快速有效地驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載，采用雙極型和MOS晶體管并聯(lián)的輸出級(jí)。高端柵極驅(qū)動(dòng)器采用自舉配置，具有自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制，可減少內(nèi)部直通電流，提高效率。

3.2 外部組件選擇

3.2.1 占空比估計(jì)

占空比是高端功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的比值，可通過(guò)公式 (D=frac{V{O}+V{DS(ON)}}{V_{I}}) 進(jìn)行估算。

3.2.2 輸入電容

輸入電容為功率級(jí)提供低阻抗電壓源，選擇時(shí)需考慮ESR、ESL、RMS電流額定值和電容值等參數(shù)。

3.2.3 輸出濾波器設(shè)計(jì)

輸出電容

在滯環(huán)調(diào)節(jié)器中，TPS56xx基本決定了輸出電壓紋波，輸出電容主要用于提供對(duì)快速負(fù)載瞬變的滿意響應(yīng)。選擇輸出電容時(shí)，需考慮其ESR和ESL，以滿足負(fù)載瞬變時(shí)的電壓變化要求。

輸出電感

輸出電感影響輸出電壓對(duì)瞬態(tài)負(fù)載的響應(yīng)，同時(shí)也與電源開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)。選擇電感時(shí)，需考慮其電流能力、允許的工作頻率和直流電阻等因素，并通過(guò)公式估算最大允許電感值。

3.2.4 開(kāi)關(guān)頻率分析

開(kāi)關(guān)頻率的估算對(duì)于確保電源效率和瞬態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要?？赏ㄟ^(guò)分析輸出電壓紋波來(lái)預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率與ESR和ESL密切相關(guān)。

3.2.5 功率MOSFET選擇

TPS56xx設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET，選擇時(shí)需考慮其低導(dǎo)通電阻和漏源擊穿電壓額定值。同時(shí)，需計(jì)算MOSFET的功率損耗，以確保其在安全工作范圍內(nèi)。

四、測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試總結(jié)

4.1.1 靜態(tài)線路和負(fù)載調(diào)節(jié)

TPS56XX控制器實(shí)現(xiàn)的精確參考電壓調(diào)節(jié)器具有出色的調(diào)節(jié)特性，負(fù)載調(diào)節(jié)不超過(guò)0.26%，線路調(diào)節(jié)小于0.045%。

4.1.2 輸出電壓紋波

輸出電壓峰 - 峰紋波小于±1%，輸出濾波器針對(duì)快速瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，但輸出紋波可進(jìn)一步優(yōu)化。

4.1.3 效率和功率損耗

不同輸出電壓的評(píng)估板具有不同的效率和功率損耗，低功率損耗可降低組件溫度上升，提高長(zhǎng)期可靠性。

4.1.4 輸出啟動(dòng)和過(guò)沖

輸出電壓上升時(shí)間與負(fù)載電流無(wú)關(guān)，呈線性上升，無(wú)明顯過(guò)沖。建議Vcc上升時(shí)間大于3ms。

4.1.5 頻率變化

滯環(huán)控制器的開(kāi)關(guān)頻率取決于輸入和輸出電壓以及輸出濾波器特性，不同評(píng)估板的頻率變化范圍不同。

4.1.6 負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)

滯環(huán)控制器具有出色的動(dòng)態(tài)特性，能在負(fù)載瞬變發(fā)生的同一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)做出響應(yīng)，同時(shí)需優(yōu)化輸出濾波器以滿足高斜率負(fù)載電流瞬變要求。

4.1.7 功能特點(diǎn)

EVM具有欠壓鎖定、抑制信號(hào)、電源良好信號(hào)、過(guò)壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、遠(yuǎn)程感應(yīng)和過(guò)流保護(hù)等功能。

4.2 測(cè)試設(shè)置

以SLVP112為例，測(cè)試時(shí)需連接電子負(fù)載、12V和5V電源，并按照一定順序開(kāi)啟電源，確保輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。對(duì)于其他轉(zhuǎn)換器，只需將輸出電壓參考值替換為相應(yīng)的值即可。

4.3 測(cè)試結(jié)果展示

文檔中給出了SLVP111 - 114評(píng)估模塊的各種測(cè)試結(jié)果波形，包括負(fù)載調(diào)節(jié)、效率、功率損耗、開(kāi)關(guān)頻率、啟動(dòng)波形和負(fù)載瞬態(tài)波形等，這些結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)和測(cè)試，我們可以看到基于TPS56xx控制器的同步降壓轉(zhuǎn)換器能夠滿足嚴(yán)格的電源要求，為DSP和微處理器等設(shè)備提供高效、穩(wěn)定的電源解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體應(yīng)用需求對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。大家在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。