TPS5602：高效双路DSP电源控制器的设计与应用

一、引言

在当今的电子设备中，DSP（数字信号处理器）的应用越来越广泛，而稳定高效的电源供应是保证其正常工作的关键。TI公司的TPS5602双路同步降压开关模式电源控制器，以其快速的反馈控制和最少的元件数量，成为了DSP电源设计的理想选择。本文将详细介绍TPS5602的特性、功能以及在DSP电源设计中的应用。

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二、TPS5602概述

2.1 主要特性

• 独立双通道：两个通道相互独立，可通过设置待机引脚轻松实现上下电顺序控制。
• 滞回控制：采用滞回控制方法，具有快速的瞬态响应，适用于高瞬态电流应用，如’C6000和多个’C54x DSP。
• 宽输入电压范围：输入电压范围为4.5V至25V，输出电压可调节至低至1.2V。
• 高效率：同步整流技术使效率超过95%。
• 低功耗：典型供电电流为0.8mA，待机电流最大为1µA。
• 封装形式：采用30引脚TSSOP封装。
• 评估模块：提供EVM（TPS5602EVM - 121）供用户测试和评估。

2.2 功能框图

TPS5602的功能框图展示了其内部结构，包括软启动、滞回比较器、电流保护、振荡器等模块，各模块协同工作，实现对电源的精确控制。

三、引脚功能详解

3.1 关键引脚

• COMP：电压监测比较器输入，用于电压保护，如DSP电源的输出欠压保护。
• CT：振荡器频率外部电容连接引脚，用于设置振荡器频率。
• GND：控制地。
• INV1/INV2：通道1/2滞回比较器反相输入。
• LH1/LH2：通道2/1高端栅极驱动升压电容输入。
• LL1/LL2：通道1/2高端驱动和电流保护。
• OUT1_d/OUT2_d：通道1/2低端栅极驱动输出。
• OUT1_u/OUT2_u：通道1/2高端开关输出。
• OUTGND1/OUTGND2：输出地。
• REF：1.185V参考电压输出。
• REG5V_IN：外部5V输入。
• SOFTSTART1/SOFTSTART2：通道1/2软启动控制外部电容连接。
• STBY1/STBY2：通道1/2待机控制。
• TRIP1/TRIP2：通道1/2输出电流控制输入。
• VCC：电源电压输入。
• Vref5：5V内部稳压器输出。
• VCCSENSE：电源电压检测输入。

四、详细工作原理

4.1 参考电压

• 1.185V参考电压：用于输出电压设置和电压保护（COMP）。
• 5V参考电压：内部线性稳压器提供固定5V电压作为自举电压，公差为6%，还可用于为外部电路供电。

4.2 5V开关

当内部5V开关检测到REG5V引脚有5V输入时，内部5V线性稳压器将与MOSFET驱动器断开，外部5V将用于低端驱动器和高端自举，从而提高效率。

4.3 滞回比较器

每个通道都有一个滞回比较器，用于调节同步降压转换器的输出电压。滞回值内部设定，典型值为8.5mV，从比较器输入到驱动器输出的总延迟，低到高典型为500ns，高到低典型为350ns。

4.4 驱动器

• 低端驱动器：设计用于驱动低Rds(on)的n沟道MOSFET，最大驱动电压为5V，驱动电流典型值为1A（源极和漏极）。
• 高端驱动器：同样设计用于驱动低Rds(on)的n沟道MOSFET，驱动电流为1A（源极和漏极）。当配置为浮动驱动器时，驱动器的偏置电压由Vref5产生，限制OUTxU和LLx之间的最大驱动电压为5V，LHx和OUTGNDx之间的最大电压为30V。

4.5 死区时间控制

死区时间控制通过主动控制MOSFET驱动器的导通时间，防止在开关转换期间主功率FET出现直通电流。从低端驱动器关断到高端驱动器导通的典型死区时间为75ns，从高端驱动器关断到低端驱动器导通的典型死区时间为164ns。

4.6 电流保护

通过VCC Sense和LLx引脚在导通时间内检测高端功率MOSFET的漏源电压降来实现电流保护。Vin和TRIPx引脚之间的外部电阻与连接到电流比较器负输入的内部电流源一起调整电流限制。典型内部电流源电流为15µA。当正引脚电压低于负引脚电压时，电流比较器触发振荡器，振荡器反复重置触发，直到过流条件消除。外部电阻选择公式为： [R{clmt}=frac{R{ds(on)}times(I{trip}+I{ind(p - p)}/2)}{0.000015}] 其中，(R{ds(on)})是MOSFET导通电阻，(I{trip})是所需的跳闸电流，(I{ind(p - p)})是电感纹波电流峰峰值，(I{trip})必须大于(0.5times I_{ind(p - p)})，公差为±30%。

4.7 软启动

独立的软启动端子可以设置每个输出的启动顺序。启动时间的电容值可通过以下公式计算： [C = 2times Tquad(mu F)] 其中，(C)是外部电容值，(T)是所需的启动时间（ms）。

4.8 待机控制

通过将STBY引脚接地，两个通道可以分别进入待机模式，待机电流小于1µA，STBY引脚还可用于电源顺序控制。

4.9 欠压锁定（UVLO）

当输入电压上升到约3.8V时，IC开启；当输入电压低于开启值时，IC关闭，典型滞回值为149mV。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

TPS5602的绝对最大额定值规定了其正常工作的电压、电流和温度范围，如电源电压Vcc为 - 0.3V至27V，输入电压VJ、INV为 - 0.3V至7V等。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

5.2 推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压Vcc为4.5V至25V，INV1/2、COMP、SOFTSTART1/2等引脚的电压范围，以及工作结温范围为 - 40°C至85°C。

5.3 电气参数

在推荐的温度范围（(TA=-40^{circ}C)至85°C）和(V{CC}=7V)条件下，TPS5602的各项电气参数表现良好，如参考电压Vref典型值为1.185V，静态电流ICC典型值为0.8mA等。

六、典型特性曲线

文档中给出了多个典型特性曲线，如静态电流与电源电压的关系、驱动输出电压与驱动电流的关系、软启动电容与软启动时间的关系等。这些曲线有助于工程师更好地了解TPS5602在不同工作条件下的性能表现。

七、应用信息

7.1 DSP电源应用

TPS5602提供了一个适用于DSP的参考设计，评估模块TPS5602EVM - 121可供用户测试和评估。该EVM的输入电压为4.5V至9V，输出为1.8V/4A和3.3V/3A。通过改变一些组件，可用于不同的工作规格，如高输入电压应用。

7.2 关键设计公式

• 开关频率： [fs=frac{V{out}times(V{in}-V{out})times(ESR-(10times10^{-7}+Td)/C{out})}{V{in}times(V{in}times ESRtimes(10times10^{-7}+Td)+0.007times L{out}-ESLtimes V_{in})}] 其中，(fs)是开关频率（Hz），(V{out})是输出电压（V），(V{in})是输入电压（V），(C{out})是输出电容，ESR是输出电容的等效串联电阻（Ω），ESL是输出电容的等效串联电感（H），(L_{out})是输出电感（H），(T_d)是输出反馈滤波器时间常数（S）。
• 输出电感纹波电流： [I{ripple}=frac{V{in}-V{out}-I{out}times(R{dson}+R{L})}{L_{out}}times Dtimes Ts] 其中，(I{ripple})是电感峰峰值纹波电流（A），(V{in})是输入电压（V），(V{out})是输出电压（V），(I{out})是输出电流，(R{dson})是MOSFET导通电阻（Ω），(D)是占空比，(T_s)是开关周期（S）。
• 输出电容RMS电流： [I{o(rms)}=frac{Delta I}{sqrt{12}}] 其中，(I{o(rms)})是输出电容的最大RMS电流（A），(Delta I)是电感峰峰值纹波电流（A）。
• 输入电容RMS电流： [I{i(rms)}=I{o}times(Dtimessqrt{(1 - D)}+(1 - D)timessqrt{D})] 其中，(I{i(rms)})是输入电容的RMS电流（A），(I{o})是输出电流（A），(D)是占空比。

7.3 电源顺序和欠压保护

EVM设计使用待机引脚实现电源顺序控制，可通过电压监控电路（如TI TPS3305 - 18）或低成本比较器（如TI TLV1391）实现保护。当第一通道输出电压高于启动阈值电压时，第二通道的待机引脚才会被拉高。在电源下降过程中，如果核心电压低于设定值（如1.3V），3.3V输出也会被拉低，防止DSP因电源故障而损坏。

7.4 布局考虑

良好的电源设计和布局对于TPS5602的性能至关重要。布局时应注意以下几点：

• 所有敏感模拟组件应参考ANAGND，如连接到Vref5、Vref、INV、LH和COMP的组件。
• 模拟地和驱动地应尽可能隔离，模拟地连接到(V_{O})上大容量存储电容的接地端，驱动地连接到靠近低端FET源极的主接地平面。
• 驱动器到功率FET栅极的连接应尽量短而宽，以减少杂散电感。
• (V_{CC})的旁路电容应靠近TPS5602放置。

八、测试结果

文档给出了TPS5602在不同输出电压下的效率、负载调节、线路调节、电源上下电顺序、输出电压纹波和瞬态响应等测试结果，这些结果展示了TPS5602在实际应用中的性能表现。

九、总结

TPS5602作为一款双路、快速、高效的DSP电源控制器，具有独立双通道、滞回控制、宽输入电压范围、高效率等优点。通过合理的设计和布局，可以满足DSP等设备对电源的高性能要求。在实际应用中，工程师可以根据具体需求，参考文档中的设计公式和应用信息，实现TPS5602的最佳性能。你在使用TPS5602进行设计时，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。