TPS6734：高效12V 120mA升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款性能優(yōu)良的升壓轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的TPS6734固定12V 120mA升壓轉(zhuǎn)換器。

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一、TPS6734概述

TPS6734是一款固定12V輸出的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠在低至3.75V的輸入電壓下提供120mA的輸出電流。它與MAX734調(diào)節(jié)器引腳兼容，并且具有更低的電源電流、更寬的工作輸入電壓范圍和更高的輸出電流等優(yōu)勢(shì)。該轉(zhuǎn)換器僅需5個(gè)外部組件，采用8引腳SOIC和DIP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至85°C。

二、關(guān)鍵特性

2.1 寬輸入電壓范圍

TPS6734的輸入電壓范圍為2.7V至11V，這使得它能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，無論是電池供電還是其他低壓電源，都能穩(wěn)定工作。

2.2 低功耗

在關(guān)機(jī)模式下，最大電源電流僅為3μA，有效降低了系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

2.3 高效率

典型效率可達(dá)85%（5V輸入，120mA輸出），能夠有效減少能量損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率。

2.4 軟啟動(dòng)功能

通過添加一個(gè)小電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，使輸出電壓以可控的速率上升，限制了上電時(shí)的浪涌電流，保護(hù)了電路元件。

三、功能模塊詳解

3.1 參考電壓

內(nèi)部1.22V參考電壓通過REF引腳輸出，可為外部負(fù)載提供最大100μA的電流。建議在REF和GND之間連接一個(gè)0.01 - 0.1μF的去耦電容，以減少噪聲拾取。

3.2 振蕩器和斜坡發(fā)生器

振蕩器電路提供170kHz的時(shí)鐘，用于設(shè)置轉(zhuǎn)換器的工作頻率，并產(chǎn)生一個(gè)用于斜率補(bǔ)償?shù)亩〞r(shí)斜坡。時(shí)鐘波形為持續(xù)幾百納秒的脈沖，用于將功率開關(guān)的最大占空比限制在95%。

3.3 驅(qū)動(dòng)鎖存器

由置位/復(fù)位觸發(fā)器和相關(guān)邏輯組成的鎖存器，用于控制功率開關(guān)的狀態(tài)。在正常操作中，觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖期間置為高電平，但在時(shí)鐘脈沖結(jié)束之前，鎖存器輸出保持低電平。當(dāng)PWM比較器輸出為高電平時(shí)，鎖存器復(fù)位。

3.4 電流檢測(cè)放大器

電流檢測(cè)放大器具有固定增益6，它放大斜率補(bǔ)償后的電流檢測(cè)電壓，并將其饋送到PWM比較器。

3.5 誤差放大器

誤差放大器是一個(gè)高增益差分放大器，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。它通過比較輸出電壓樣本與內(nèi)部參考電壓，并放大差值來生成誤差信號(hào)，該信號(hào)被饋送到PWM比較器。

3.6 PWM比較器

當(dāng)電流檢測(cè)放大器的斜率補(bǔ)償電流檢測(cè)信號(hào)超過誤差信號(hào)時(shí)，PWM比較器復(fù)位驅(qū)動(dòng)鎖存器，關(guān)閉功率開關(guān)。

3.7 功率開關(guān)

功率開關(guān)是一個(gè)具有電流檢測(cè)功能的0.7Ω n溝道MOSFET，其漏極連接到OUT引腳，電流檢測(cè)連接到一個(gè)電阻。電阻兩端的電壓與功率開關(guān)中的電流成正比，并連接到過流比較器和電流檢測(cè)放大器。

3.8 SS鉗位

SS（軟啟動(dòng)）鉗位電路在啟動(dòng)期間限制誤差放大器輸出的信號(hào)電平，防止PWM比較器的輸入超過其共模范圍。

四、工作模式

4.1 不連續(xù)模式

在大多數(shù)輸入電壓和輸出電流范圍內(nèi)，電路工作在不連續(xù)模式。在此模式下，電感電流在每個(gè)周期從0開始上升到峰值，然后下降到0。OUT引腳的電壓波形中的振鈴是由電感和功率開關(guān)電容之間的諧振引起的，這是不連續(xù)操作的正?，F(xiàn)象。

4.2 連續(xù)模式

當(dāng)轉(zhuǎn)換器從低電壓源提供重負(fù)載時(shí)，它工作在連續(xù)模式。此時(shí)，電感電流不會(huì)降至0，OUT引腳的電壓波形中也沒有振鈴。

4.3 脈沖跳過模式

在非常輕的負(fù)載電流下，TPS6734無法產(chǎn)生足夠窄的驅(qū)動(dòng)脈沖來維持調(diào)節(jié)并以170kHz的頻率工作。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器以脈沖跳過模式工作，跳過一些周期。在脈沖跳過模式下，波形不規(guī)則，輸出紋波包含一個(gè)可能超過50mV峰峰值的低頻分量。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電感選擇

電感值與輸入電壓成正比，與輸出功率成反比。對(duì)于5V電源和高達(dá)2W的負(fù)載，典型電路中使用的18μH電感是合適的。對(duì)于3V電源，應(yīng)使用較低的電感值；對(duì)于7V及更高的電源，可能需要大于18μH的電感值。電感的飽和電流額定值應(yīng)大于5V輸入時(shí)直流負(fù)載電流的3倍，以及3V輸入時(shí)直流負(fù)載電流的5倍。

5.2 輸出濾波電容選擇

輸出濾波電容應(yīng)選擇具有最小等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容。電容的ESR × ΔIL（電感電流變化）決定了輸出電壓上高頻紋波的幅度。為了使輸出紋波在整個(gè)電流范圍內(nèi)小于50mV峰峰值（使用18μH電感），電容的ESR應(yīng)小于0.25Ω。

5.3 二極管選擇

應(yīng)使用肖特基二極管或高速硅整流器。二極管的連續(xù)電流額定值應(yīng)至少為300mA，以滿足滿載（120mA）操作的要求。

5.4 軟啟動(dòng)電容

軟啟動(dòng)時(shí)間由SS電容的值控制。如果電路在無負(fù)載的情況下啟動(dòng)（例如在閃存編程電源中），則不需要軟啟動(dòng)。省略軟啟動(dòng)電容可以提供從關(guān)機(jī)狀態(tài)到輸出電壓的最小上升時(shí)間，改善輸出啟動(dòng)時(shí)間。

5.5 印刷電路板布局

印刷電路板（PCB）布局對(duì)于安靜操作至關(guān)重要。建議使用接地平面，并特別注意最小化開關(guān)回路的長(zhǎng)度。旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件放置，以防止不穩(wěn)定和噪聲拾取。

六、總結(jié)

TPS6734升壓轉(zhuǎn)換器以其寬輸入電壓范圍、低功耗、高效率和豐富的功能，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的電源管理解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮TPS6734的性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在設(shè)計(jì)過程中是否也遇到過類似的電源管理問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。