辐射加固型PWM控制器TPS7H502x/3x：航天电源设计的理想之选

在航天等对可靠性要求极高的应用领域，电源系统的稳定性和抗辐射能力至关重要。德州仪器（TI）的TPS7H502x和TPS7H503x系列辐射加固型电流模式PWM控制器，凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多航天电源设计工程师的首选。

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核心特性，应对严苛环境

强大的抗辐射性能

该系列控制器具有出色的抗辐射能力，其辐射硬度保证（RHA）高达总电离剂量（TID）100krad(Si)。同时，对单粒子锁定（SEL）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅极破裂（SEGR）免疫，在LET = 75 MeV - cm² / mg的条件下，单粒子瞬态（SET）和单粒子功能中断（SEFI）也得到了有效控制。这使得它们能够在辐射环境恶劣的太空环境中稳定工作，为航天设备提供可靠的电源支持。

灵活的电压输入和驱动能力

控制器和驱动级的最大输入电压为14V，专用的栅极驱动电压输入引脚（PVIN）可驱动硅和GaN器件，在12V时具有1.2A的峰值源和灌电流能力。对于TPS7H502x，还可将VLDO线性稳压器输出可选地连接到PVIN，以驱动GaN器件，并且VLDO可编程范围为4.5V至5.5V，为不同的应用需求提供了更多的灵活性。

精准的电压参考和频率控制

0.6V ±1%的电压参考在温度、辐射、线路和负载调节方面表现出色，确保了电源转换器设计的高精度。开关频率方面，TPS7H502x为100kHz至1MHz，TPS7H503x为100kHz至500kHz，并且支持外部时钟同步，可根据实际需求灵活调整。

丰富的功能集成

具备可调节的斜率补偿和软启动功能，简化了整体转换器设计，减少了外部组件的使用。同时，塑料封装经过ASTM E595的脱气测试，适用于军事温度范围（–55°C至125°C），进一步提高了产品的可靠性和适用性。

引脚配置与功能解析

TPS7H502x和TPS7H503x采用24引脚HTSSOP封装，带有散热焊盘。各引脚功能明确，分工协作，确保了控制器的正常运行。

电源与接地引脚

• VIN：控制器输入电压，TPS7H502x的输入电压范围为4.5V至14V，TPS7H503x为8V至14V，为内部控制电路提供电源。
• PVIN：驱动级电压输入，范围与VIN类似，可直接连接到VIN实现单电源运行，也可连接到VLDO为功率晶体管栅极提供稳定的驱动电压。
• AGND和PGND：分别为控制器电路和驱动级的接地引脚，在印刷电路板层面需将它们连接在一起，确保信号的稳定传输。

控制与反馈引脚

• COMP：误差放大器输出，用于连接频率补偿网络，通过调整该引脚的参数，可优化电源转换器的性能。
• CS_ILIM：用于PWM控制和逐周期过流保护的电流检测引脚，当输入电压超过1V时，触发PWM控制器的过流保护。
• VSENSE：误差放大器的反相输入，通过电阻分压器将转换器输出电压反馈到该引脚，实现对输出电压的精确控制。

频率与功能编程引脚

• RT：用于设置控制器的开关频率，通过连接一个电阻到AGND，可根据需要调整开关频率。在外部同步模式下，也需连接该电阻并使其与外部时钟频率匹配。
• SS：软启动引脚，通过连接一个外部电容，可设置内部电压参考的上升时间，实现软启动功能，减少启动时的电流冲击。
• SYNC：外部时钟输入引脚，可将控制器与外部时钟同步，提高系统的稳定性和协调性。

典型应用案例分析

飞返式转换器设计

以TPS7H5020为例，在设计飞返式转换器时，需要根据具体的设计要求选择合适的组件。

• 开关频率设置：通过计算选择合适的RT电阻，将开关频率设置为500kHz，以充分发挥GaN功率器件的优势。
• 输出电压编程：根据所需的输出电压，选择合适的反馈电阻分压器，确保输出电压的精度。
• 驱动PVIN配置：由于使用GaN FET，将VLDO连接到PVIN，并将其编程为5V，为驱动级提供稳定的电压。
• 软启动电容选择：选择合适的软启动电容，设置软启动时间，以限制启动时的浪涌电流。
• 变压器设计：根据目标规格计算变压器的匝数比和初级电感，确保转换器的性能满足要求。
• 功率开关和二极管选择：根据计算结果选择合适的功率开关和输出二极管，确保其能够承受最大电压和电流应力。
• 输出电容选择：考虑输出电压纹波和负载瞬态要求，选择足够的输出电容，并考虑辐射诱导单事件瞬态（SET）的影响，适当增加电容以提高系统的稳定性。

升压转换器设计

TPS7H502x和TPS7H503x也可用于非同步升压配置。在升压转换器设计中，需要注意以下几点：

• FET选型：升压转换器的峰值FET电流等于输入电流，因此需要选择能够承受输入电流的FET。
• 短路保护：由于输入电源和负载之间存在直接路径，负载短路可能导致大电流流动，因此需要考虑添加断开开关以保护系统。
• 补偿设计：升压转换器存在右半平面（RHP）零，在确定补偿时需要考虑其影响，以确保系统的稳定性。

布局与设计注意事项

为了提高转换器的可靠性和性能，在PCB布局时需要遵循以下原则：

• 反馈迹线布局：将反馈迹线远离功率磁性组件和其他噪声源，避免噪声干扰。
• 开关节点优化：最小化转换器开关节点的铜面积，减少寄生电容，降低开关损耗。
• 开关环路处理：尽量缩短功率级中所有高di/dt和dv/dt开关环路的路径，减少电磁干扰（EMI）和噪声耦合。
• 接地分离：将控制器的模拟地与功率级的功率地分开，并在PCB布局中单点连接，避免相互干扰。
• 电容放置：将VIN、PVIN、REFCAP和VLDO的滤波和旁路电容尽可能靠近控制器放置，减少噪声耦合。
• 补偿组件布局：将外部补偿组件放置在控制器的COMP引脚附近，确保补偿效果。
• VSENSE电阻处理：将用于产生VSENSE电压的电阻分压器靠近器件放置，减少噪声耦合。
• 驱动引脚布线：将OUTH和OUTL引脚的布线远离噪声敏感信号，减少噪声干扰。

总结

TPS7H502x和TPS7H503x系列辐射加固型PWM控制器以其卓越的抗辐射性能、灵活的电压输入和驱动能力、丰富的功能集成以及良好的布局适应性，为航天等领域的电源设计提供了可靠的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择组件和优化布局，以充分发挥该系列控制器的优势，实现高性能、高可靠性的电源系统设计。你在使用该系列控制器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。