TPS6735：固定負(fù)5V 200mA反相DC/DC轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。今天要介紹的德州儀器（TI）的TPS6735固定負(fù)5V 200mA反相DC/DC轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多工程師的首選。

文件下載：TPS6735EVM.pdf

一、產(chǎn)品概述

TPS6735能夠在低至4.5V的輸入電壓下提供固定的負(fù)5V輸出，最大輸出電流可達(dá)200mA。其輸入工作范圍為4V至6.2V，典型效率高達(dá)78%。采用160kHz固定頻率電流模式PWM控制器，具有軟啟動(dòng)功能，可有效減少浪涌電流。該轉(zhuǎn)換器提供使能（EN）輸入，當(dāng)不需要 -5V輸出時(shí)，可將其置于關(guān)斷模式，此時(shí)電源電流可降至1μA。此外，它有8引腳SOIC和DIP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至85°C，并且與MAX735引腳兼容。

二、產(chǎn)品特性及優(yōu)勢(shì)

（一）電氣特性

1. 輸入輸出特性：輸入電壓范圍為4V - 6.2V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。輸出為固定的 -5V，最大輸出電流200mA，可滿足大多數(shù)對(duì)負(fù)電壓有需求的電路。在推薦工作條件下，輸出電壓在 -4.75V至 -5.25V之間，負(fù)載電流最大可達(dá)270mA，線路調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率均為0.2%，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
2. 效率與功耗：典型效率為78%，在100mA負(fù)載時(shí)表現(xiàn)出色。在無(wú)負(fù)載情況下，典型電源電流為1.9mA；當(dāng)使能輸入為低電平時(shí)，電源電流可降至1μA，大大降低了功耗，適合電池供電設(shè)備。
3. 頻率與參考電壓：振蕩器頻率固定為160kHz，為電路提供穩(wěn)定的工作頻率。參考電壓為1.22V，可向外部負(fù)載提供最大125μA的電流，且參考電壓漂移為50ppm/°C，具有較好的穩(wěn)定性。

（二）功能特性

1. 軟啟動(dòng)功能：通過(guò)在SS引腳連接一個(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到調(diào)節(jié)點(diǎn)。軟啟動(dòng)過(guò)程中，充電的軟啟動(dòng)電容逐漸提高誤差放大器輸出電壓的鉗位，逐周期增加電流限制閾值，從而限制上電時(shí)的浪涌電流。當(dāng)使能信號(hào)變?yōu)楦唠娖交蜻^(guò)流故障觸發(fā)軟啟動(dòng)電容放電時(shí)，會(huì)啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期。
2. 過(guò)流保護(hù)：過(guò)流比較器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率開(kāi)關(guān)中的電流，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)電流峰值超過(guò)2A時(shí)，比較器觸發(fā)并啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期，保護(hù)電路免受過(guò)大電流的損害。
3. 欠壓鎖定（UVLO）：電源電壓通過(guò)分壓器輸入到UVLO電路，并與參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電源電壓低于欠壓鎖定電壓閾值時(shí)，MOSFET不會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)電源電壓高于閾值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期，確保電路在合適的電壓下工作。

三、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

（一）功能模塊

1. 電流感測(cè)放大器：固定增益為3，對(duì)斜率補(bǔ)償后的電流感測(cè)電壓（電流感測(cè)電阻上的電壓與振蕩器斜坡的總和）進(jìn)行放大，并將其饋送到PWM比較器。
2. 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，通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制功率開(kāi)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，但門(mén)控使鎖存器輸出保持低電平，直到時(shí)鐘脈沖結(jié)束。當(dāng)PWM比較器輸出為高電平時(shí)，鎖存器復(fù)位。
3. 誤差放大器：作為高增益差分放大器，用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。通過(guò)將輸出電壓的采樣與參考電壓進(jìn)行比較，并放大差值，生成誤差信號(hào)饋送到PWM比較器。
4. 振蕩器和斜坡發(fā)生器：振蕩器電路提供160kHz的時(shí)鐘，用于設(shè)置轉(zhuǎn)換器的工作頻率，并產(chǎn)生用于斜率補(bǔ)償?shù)亩〞r(shí)斜坡。時(shí)鐘波形為持續(xù)幾百納秒的脈沖，用于將最大功率開(kāi)關(guān)占空比限制在95%。定時(shí)斜坡與電流感測(cè)信號(hào)在電流感測(cè)放大器的輸入處相加。
5. PWM比較器：當(dāng)來(lái)自電流感測(cè)放大器的斜率補(bǔ)償電流感測(cè)信號(hào)超過(guò)誤差信號(hào)時(shí)，比較器復(fù)位驅(qū)動(dòng)鎖存器并關(guān)閉功率開(kāi)關(guān)。

（二）工作過(guò)程

電源接通后，UVLO電路檢測(cè)電源電壓是否高于閾值。若高于閾值，啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期，軟啟動(dòng)電容開(kāi)始充電，輸出電壓逐漸上升。在正常工作時(shí)，電流感測(cè)放大器監(jiān)測(cè)功率開(kāi)關(guān)的電流，誤差放大器根據(jù)輸出電壓與參考電壓的差值生成誤差信號(hào)。PWM比較器根據(jù)電流感測(cè)信號(hào)和誤差信號(hào)的比較結(jié)果，控制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，過(guò)流比較器觸發(fā)軟啟動(dòng)周期，保護(hù)電路安全。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）元件選擇

1. 電感器：TPS6735需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10μH電感器，其飽和電流應(yīng)大于所需最大負(fù)載下的峰值開(kāi)關(guān)電流?？蓞⒖嫉湫凸ぷ魈匦詧D中峰值電感電流與負(fù)載電流的關(guān)系來(lái)確定所需的電感飽和水平。
2. 輸出濾波電容：為了最小化輸出紋波電壓，需要使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的輸出濾波電容。對(duì)于高達(dá)200mA的輸出負(fù)載，100mΩ的ESR可將輸出紋波限制在90mV或更低。
3. 整流器：應(yīng)使用肖特基二極管或高速硅整流器，其最大連續(xù)電流額定值為1A，以滿足滿載（200mA）工作的要求。

（二）PCB布局

1. 接地平面：在印刷電路板（PCB）布局中，建議使用接地平面，以確保電路的安靜運(yùn)行。
2. 開(kāi)關(guān)環(huán)路：注意盡量減小開(kāi)關(guān)環(huán)路的長(zhǎng)度，以減少電磁干擾。
3. 旁路電容：旁路電容應(yīng)盡可能靠近TPS6735放置，以防止不穩(wěn)定和噪聲拾取。VCC和GND應(yīng)直接用1μF陶瓷電容和一個(gè)大的旁路電容（如47μF）進(jìn)行旁路，以提高抗噪能力。

五、總結(jié)

TPS6735固定負(fù)5V 200mA反相DC/DC轉(zhuǎn)換器以其高效、穩(wěn)定的性能，在計(jì)算機(jī)外設(shè)和電池供電設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)合理選擇外部元件和優(yōu)化PCB布局，工程師可以充分發(fā)揮該轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電源電路。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類似DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。