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基于TPS54610外部补偿结构的电路构成及设计

2021年01月04日 09:14 次阅读

1、引言

流的MOSFET开关管,可输出6A电流,输出电压从0.9V到3.3V可调,精确率可达1%,脉宽调制频率既可固定在350kHz或550kHz,也可以在280kHz到700kHz之间调整;另外,它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。

TPS54610集成化的设计减少了元件数量和体积。因此,可广泛用于低电压输入高电流输出的分散电源系统(如DSPFPGA、A-SIC、微处理器电源,宽带网络和光纤通讯以及便携式笔记本电脑的电源系统)中。

2、TPS54610的引脚功能AGND(1脚):模拟地。

BOOT(5脚):自举电路输出,在BOOT脚和PH脚间应连接0.02~0.1μF的电容

COMP(3脚):误差放大器输出,COMP脚与VSENSE脚间应接频率补偿电路。

PGND(15~19脚):电源地,使用时应与AGND单点连接。

PH(6~14脚):相输出,功率MOSFET高低端与输出电感的连接点。

PWRGD(4脚):“电源好”输出,当VSENSE端的电压高于Vref的90%时,输出为高;否则为低。注意:当SS/ENA引脚为低或内部SHUTDOWN有效时,该引脚始终为低。

RT(28脚):频率设置电阻输入,在RT和AGND间连接一个电阻可以设置开关频率,当使用SYNC端时,通过RT设置的频率应稍低于外部振荡器的频率。

SS/ENA(26脚):软启动/输入输出使能端,可提供控制器允许工作逻辑,该脚的另一个功能是通过外接电容来设置软启动时间。

SYNC(27脚):同步输入,可提供外部振荡器同步逻辑信号,此时要求RT引脚必须连接一个电阻,在内部振荡时用于开关频率的切换。

VBIAS(25脚):内部偏压调节,与AGND引脚间应接一个0.1μF~1μF的陶瓷电容。

VIN(20~24脚):电源输入,与PGND间应连接10μF的陶瓷电容。VSENSE(2脚):误差电压放大器反向输入,可通过补偿和分压电路与输出端相连。

基于TPS54610外部补偿结构的电路构成及设计

3、电路设计

3.1内部补偿和外部补偿

内部补偿和外部补偿是TI公司电源控制芯片采用的两种不同的电路形式。采用内部补偿的控制器力求减少外部元件的数量和印制板的尺寸,因此电路简单,并可采用软件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)来设计。但内部补偿控制器存在两个缺点,第一是内部补偿控制器的降压变换电路只能获得固定的电压输出,如TPS54611获得的输出电压固定为0.9V,而TPS54616获得的输出电压固定为3.3V;另一个缺点是内部补偿限制了输出电容和电感的选择。很多情况下,出于各种考虑,如输出电压可调、输出电容和电感利用率和费用的要求,不允许采用内部补偿方式。在这种情况下,外部补偿芯片TPS54610便能提供更好的解决方案。下面介绍的就是基于TPS54610外部补偿结构的电路构成及设计方法。

3.2电路设计步骤

图2所示是以TPS54610为核心的外部补偿降压变换电路。现以该电路为例说明其设计方法。

基于TPS54610的同步降压DC/DC电源设计

(1)开关频率的选择

当SYNC引脚接地时,开关频率为350kHz,当SYNC接输入电源电压时,开关频率为550kHz。为了获得可以调整的开关频率,可在RT引脚和地之间接一个外部电阻R1以使其频率可以在280~700kHz之间进行调整。开关频率与R1的对应关系如图3所示,这种情况下,SYNC应断开。从图中可以看出,100kΩ对应的开关频率为500kHz,其实际误差在±8%以内。

(2)输入电容的选择

输入解耦电容C2可用来减少高频噪声,设计时可选择1μF~10μF的陶瓷电容,并应尽量靠近集成芯片安装。

降压输入电容C1可用于减少输入纹波电压。但如果解耦电容已足够滤波,可不设置该电容。为了确定是否需要该电容,首先要确定最大允许纹波电压。为确保能够正常工作,TPS54610的纹波电压峰峰值不允许超过300mV。

(3)输出滤波元件的选择

输出滤波电路由输出电感L1和输出电容COUT(图2中C8、C9、C10)组成。和内部补偿控制器相比,TPS54610对这两个元件的选择通常限制不大。

(4)补偿元件的选择

反馈补偿电路包含元件图中的R2、R3、R5、R6,元器件的选取方法有多种,定性和较宽的带宽。先应考虑的是补偿误差放大次,补偿误差放大器应将到100mV左右,另外,电路总的回路串扰频率应小于开关频率的1/8,同时相角裕量至少应为45°。

通过图2中补偿元件的参数设计可将总的回路响应串扰频率范围限制在10~0kHz,相位裕量范围设定在0~90°之间。图中各电阻的偏差应小于1%,电容偏差应小于10%。

(5)偏置电路和自举电容的选择

偏置电容C4一般采用0.1μF的陶瓷电容,并置于VBIAS和AGND之间。自举电容C7一般采用0.022~0.1μF的陶瓷电容,并将其连接在BOOT引脚和PH之间。

(6)软启动时间的选择

TPS54610内部含有软启动电路,可用来控制启动时输出电压的上升时间,内部慢启动时间设置为3.6ms。另外,通过在SS/ENA引脚连接软启动电容C3可使其输出电压的上升时间超过内部设置值,软启动电容的选择可由下式得到:Css=5tss/0.891式中,tss为软启动时间。

软启动一般从输入电压超过3V的启动阈值电压开始,之后,如果使用内部软启动电路,输出电压将开始以线性方式上升到输出电压值,而如果外接有软启动电容,输出电压将经过固定的延时tDELAY后开始上升,tDELAY取决于软启动电容的取值,它可由下式计算:tDELAY=1.2CSS/5μF

采用上述参数设计的图2电路的输出电压为1.8V,输出电流可达6A,开关频率为680kHz。电路中的输出滤波电容由C8、C9、C10共同组成。

责任编辑:gt

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