解锁 TPS65131-Q1 正负压输出 DC-DC 转换器：设计全解析

在电源管理领域，一款性能卓越的 DC-DC 转换器对于电子设备的稳定运行至关重要。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的 TPS65131-Q1 正负压输出 DC-DC 转换器，看看它有哪些独特之处以及如何在实际设计中发挥作用。

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一、特性亮点

汽车级应用资质

TPS65131-Q1 通过了 AEC-Q100 测试，这可是汽车级应用的黄金标准。它的器件温度等级为 2，能在 -40°C 至 105°C 的环境温度范围内稳定工作，而其电气特性更是在 -40°C 至 125°C 的结温范围内经过了严格测试。此外，它在 HBM ESD 分类中达到了 H1C 级，CDM ESD 分类达到了 C4B 级，这意味着它具有出色的静电防护能力，能有效应对复杂的汽车电磁环境。

双可调输出电压

这款转换器能够提供高达 15V 的正输出电压和低至 -15V 的负输出电压，而且输出电压是可调的，这为不同的应用场景提供了极大的灵活性。同时，它的升压和逆变主开关典型开关电流限制为 2A，能够满足大多数中小功率应用的需求。

高效转换

在转换效率方面，TPS65131-Q1 表现十分出色。正输出轨的效率最高可达 91%，负输出轨的效率最高可达 85%。而且，它还具备功率节省模式，在轻负载时能进一步降低功耗，提高能源利用率。

灵活控制与保护功能

它拥有独立的使能输入，可实现上电和下电的时序控制，方便系统进行电源管理。同时，它还提供了控制输出，可用于外部 PFET，在关机时能完全断开电源，确保系统安全。此外，它还具备热关断、过压保护等功能，能有效保护器件和后端电路，提高系统的可靠性。

宽输入电压范围与小封装

其输入电压范围为 2.7V 至 5.5V，能兼容多种电源供电，如常见的 3.3V 和 5V 电源轨。而且，它采用了 4mm × 4mm 的小型 QFN-24 封装（RGE），具有可焊侧翼，不仅节省了 PCB 空间，还便于焊接和组装。

二、应用场景

TPS65131-Q1 适用于多种应用场景，特别是中小尺寸的 OLED 显示屏、TFT LCD 以及 CCD 偏置电源等。在这些应用中，它的双输出电压和高效转换特性能够为显示设备提供稳定的电源，确保图像质量和显示效果。

三、详细解析

工作原理

TPS65131-Q1 是一款双输出 DC-DC 转换器，它包含一个升压转换器和一个逆变转换器。两个转换器相互独立工作，但共享一个时钟和一个电压参考。它采用固定频率的脉冲宽度调制（PWM）调节器来分别控制两个输出，在一般情况下，每个转换器都工作在连续导通模式（CCM）。为了提高轻载时的效率，转换器还可以工作在不连续导通模式（DCM）。当启用功率节省模式时，转换器会根据负载电流自动在 CCM 和 DCM 之间切换。

引脚功能

该器件共有 24 个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，AGND 是模拟接地引脚，BSW 是外部电池开关的栅极控制引脚，ENN 和 ENP 分别是负输出电压和正输出电压的使能引脚等。了解每个引脚的功能对于正确使用该器件至关重要。	PIN	NO.	I/O	DESCRIPTION
AGND	19	-	模拟接地引脚
BSW	7	O	外部电池开关的栅极控制引脚，当 ENP 置高时，此引脚变低
CN	18	I/O	逆变转换器控制的补偿引脚
CP	21	I/O	升压转换器控制的补偿引脚
ENN	10	I	负输出电压使能引脚（0V：禁用，VIN：启用）
ENP	8	I	正输出电压使能引脚（0V：禁用，VIN：启用）
FBN	16	I	负输出电压分压器的反馈引脚
FBP	22	I	正输出电压分压器的反馈引脚
INN	5, 6	O	逆变转换器开关引脚
INP	1, 24	O	升压转换器开关引脚
NC (1)	12, 20	-	未连接
OUTN	13, 14	I/O	逆变转换器开关输出
PGND	2, 3	-	功率接地引脚
PSN	11	I	逆变器级的功率节省模式使能引脚（0V：禁用，VIN：启用）
PSP	9	I	升压转换器级的功率节省模式使能引脚（0V：禁用，VIN：启用）
VIN	4	I	控制电源输入
VNEG	15	I	负输出电压感测输入
VPOS	23	I	正输出电压感测输入
VREF	17	O	参考输出电压，此引脚需通过一个 220nF 的电容接地，负输出电压分压器的下电阻连接到此引脚
散热垫			用于热性能的散热垫，连接到 PGND

关键特性功能

功率转换

两个转换器都采用固定频率的 PWM 控制方案，内部开关的导通时间会根据输入到输出的电压比和负载情况而变化。在导通时间内，连接到转换器的电感器会充电，在关断时间内，电感器会通过整流二极管向输出电容器放电。在轻负载时，升压转换器会使用一个额外的内部开关来避免电感器电流不连续，而逆变转换器的电感器电流可能会不连续，但控制电路会自动调整以确保最佳控制。

控制

转换器的控制电路采用固定频率的多前馈控制器拓扑结构，它会监测输入电压、输出电压和开关两端的电压降。通过自学习控制来纠正前馈系统中的测量误差，并使用外部电容器来抑制输出，避免输出电压出现阶跃。电压环由误差放大器决定，其输入是 FBP 和 FBN 引脚上的反馈电压，通过与内部参考电压比较来生成准确稳定的输出电压。

输出使能与禁用

两个转换器可以单独启用或禁用。将使能引脚（ENP 用于升压转换器，ENN 用于逆变转换器）置为高电平可以启用相应的输出，置为低电平则会关闭相应的转换器。当两个使能引脚都为低电平时，器件进入关机模式，所有内部电路关闭，此时器件仅消耗流入 VIN 引脚的关机电流。

负载断开

该器件支持在转换器禁用时完全断开负载。对于逆变转换器，内部 PMOS 开关会关闭，避免电池或电源放电。对于升压转换器，由于存在外部整流二极管和升压电感器形成的直流电流路径，可能会导致电池或电源放电。因此，器件提供了一个 PMOS 栅极控制输出（BSW），用于控制一个外部 PMOS 开关，在升压转换器禁用时断开该电流路径。

软启动

两个转换器都实现了软启动功能。当转换器启用时，开关电流限制会在大约 1ms 内缓慢上升到其标称编程值，这样可以限制启动时的输入电流，避免峰值输入电流过高对其他系统造成干扰。

过压保护与欠压锁定

两个内置转换器都具有独立的过压保护功能。当反馈电压在正常运行时超过标称值约 5% 时，相应的转换器会立即关闭，以保护连接的电路。同时，欠压锁定功能会防止器件在 VIN 引脚的电源电压低于欠压锁定阈值时启动和运行，当电压低于阈值时，两个转换器会自动关闭，但部分控制电路仍保持活动状态。

过温关断

器件内部的温度传感器会实时监测芯片温度，当温度超过热关断温度时，两个转换器会自动关闭。当芯片温度下降到阈值加上滞后阈值以下时，器件会自动恢复工作。这种内置的滞后功能可以避免因关断和启动引起的振荡，确保器件在接近过热关断阈值时不会出现不稳定的运行情况。

四、设计要点

输出电压编程

要设置 TPS65131-Q1 升压转换器和逆变转换器的输出电压，需要使用外部电阻分压器。对于升压转换器，将分压器连接到 FBP 引脚，通过公式 (R1 = R2 × (frac{V{POS}}{V{ref}} - 1)) 可以计算出电阻 R1 的值，从而设置所需的正输出电压 (V{POS})。对于逆变转换器，将分压器连接到 FBN 引脚，参考点为 (V{ref})，通过公式 (R3 = -R4 × (frac{V{NEG}}{V{ref}})) 计算电阻 R3 的值，以设置负输出电压 (V_{NEG})。为了保证输出电压的准确性，反馈分压器的电流应设置在 5µA 或更高。

电感选择

电感是 DC-DC 转换器中的关键元件之一。选择电感时，需要考虑两个主要参数：一是要确保电感的峰值电流低于功率开关的电流限制阈值，可通过公式 (I{(L - P)} = frac{V{POS}}{V{I} × 0.64} × I{POS}) 和 (I{(L - N)} = frac{V{I} - V{NEG}}{V{I} × 0.64} × I{NEG}) 分别估算升压转换器和逆变转换器的电感峰值电流；二是要考虑电感的电流纹波，一般建议将纹波控制在平均电感电流的 20% 以内，以减少电感损耗、输出电压纹波和电磁干扰（EMI）。根据电流纹波可以使用公式 (L1 = frac{V{I} × (V{POS} - V{I})}{Delta I{(L - P)} × f × V{POS}}) 和 (L2 = frac{V{I} × V{NEG}}{Delta I{(L - N)} × f × (V{NEG} - V_{I})}) 计算出合适的电感值。在典型应用中，推荐选择 4.7µH 的电感，该器件在 3.3µH 至 6.8µH 的电感值范围内性能最佳。

电容选择

输入电容

为了改善调节器的瞬态响应和整个电源电路的 EMI 特性，建议在升压转换器和逆变转换器的输入引脚分别选择至少 4.7µF 的输入电容。可以选择陶瓷电容或钽电容，如果使用钽电容，还需要并联一个 100nF 的小陶瓷电容。同时，要将输入电容尽可能靠近输入引脚放置。

输出电容

输出电容的选择主要取决于转换器允许的最大输出电压纹波。可以通过公式 (C4min = frac{I{POS} × (V{POS} - V{I})}{f × Delta V{POS} × V{POS}}) 和 (C5min = frac{I{NEG} × V{NEG}}{f × Delta V{NEG} × (V{NEG} - V{I})}) 计算出满足纹波要求的最小电容值。需要注意的是，实际的总纹波还会受到电容等效串联电阻（ESR）的影响，可以通过公式 (Delta V{(ESR - P)} = I{POS} × R{(ESR - C4)}) 和 (Delta V{(ESR - N)} = I{NEG} × R{(ESR - C5)}) 计算 ESR 引起的额外纹波。在轻负载时，负载瞬变可能会导致额外的纹波，因此建议选择较大的电容值。

其他元件选择

整流二极管

升压转换器和逆变转换器都需要整流二极管，为了减少损耗，建议使用肖特基二极管。选择二极管时，其正向电流额定值应等于最大输出电流，同时要考虑不同输出电压下的最大电流可能不同。

外部 P-MOSFET

在关机时，为了完全断开正输出 (V{POS}) 与电源的连接，可以添加一个外部 P-MOSFET。由 BSW 引脚控制该 P-MOSFET 的栅极。选择 P-MOSFET 时，其 (V{GS}) 和 (V_{GD}) 电压额定值应覆盖输入电压范围，漏极电流额定值应不低于流入应用的最大输入电流，并且要满足 P-MOSFET 的工作区域条件。如果不需要使用外部 P-MOSFET，可以将 BSW 引脚浮空。

稳定控制环路

前馈电容

为了加快控制环路的响应速度，建议在反馈分压器中与 R1（升压转换器）和 R3（逆变转换器）并联前馈电容。可以通过公式 (C9 = frac{6.8 mu s}{R1}) 和 (C10 = frac{7.5 mu s}{R3}) 计算合适的电容值。为了避免前馈电容将噪声耦合到控制环路中，可以串联一个电阻来限制前馈效果的带宽，电阻值在 10kΩ 至 100kΩ 之间为宜。

补偿电容

该器件的两个转换器都采用了完全内部补偿的控制环路，但内部前馈系统需要外部电容进行误差校正。建议在升压转换器的 CP 引脚使用 10nF 的电容，在逆变转换器的 CN 引脚使用 4.7nF 的电容。

模拟电源输入滤波

为了确保 IC 获得无噪声的电源供应，建议在 IIN 和 VIN 引脚之间添加一个 RC 或 LC 滤波器。对于大多数应用，可以使用电阻值至少为 100Ω、电容值为 0.1µF 的 RC 滤波器。对于输入电压上升沿较快（上升速率 ≥275 mV /µs）的应用，建议使用铁氧体磁珠代替电阻 R7，以减少 IIN 和 VIN 信号之间的延迟。选择铁氧体磁珠时，应选择直流电阻（DCR）尽可能低且具有合适电流额定值的产品，例如 BLM18KG101TN1。

布局注意事项

布局对于开关电源的性能至关重要。在设计 PCB 布局时，应遵循以下原则：

• 使用宽而短的走线作为主要电流路径和功率接地轨道，以减少寄生电感。
• 将输入电容、输出电容、电感器和整流二极管尽可能靠近 IC 放置，以降低寄生电感和电磁干扰。
• 使用宽的 PGND 平面，将模拟接地引脚（AGND）连接到 PGND 平面，并将 PGND 平面与暴露的散热垫连接。
• 将反馈分压器尽可能靠近 IC 的控制引脚（升压转换器）或 VREF 引脚（逆变转换器）放置。

五、总结

TPS65131-Q1 正负压输出 DC-DC 转换器凭借其出色的性能、丰富的功能和灵活的应用，成为了汽车和工业领域中中小功率电源管理的理想选择。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，优化 PCB 布局，以充分发挥该器件的优势，确保系统的稳定运行。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师们更好地理解和应用 TPS65131-Q1 转换器，在实际设计中取得更好的效果。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。