基于TPS56xx控制器的高密度同步降压转换器设计

在电子设备的电源设计中，同步降压转换器因其高效、紧凑等优点而被广泛应用。今天给大家分享一下基于TI的TPS56xx控制器设计同步降压转换器的相关内容。

文件下载：TPS5615EVM-114.pdf

一、同步降压转换器概述

1.1 同步降压调节器工作原理

同步降压转换器是传统降压转换器的一种变体。主开关器件通常是功率MOSFET，其驱动方式与传统降压转换器相同。不同的是，续流整流器（通常是肖特基器件）被功率MOSFET所取代，并且与主开关器件以互补或同步的方式驱动，即一个MOSFET导通时，另一个截止。这样做的好处是续流MOSFET的导通压降小于原续流整流器的正向压降，从而提高了转换效率。但在使用同步降压转换器时，一个非常重要的设计问题是防止两个功率MOSFET同时导通，因此需要设置一定的死区时间。

1.2 滞环控制工作原理

滞环控制，也称为bang - bang控制或纹波调节器控制，能将输出电压维持在以内部参考电压为中心的滞环带内。当输出电压处于或低于参考电压减去滞环带的一半时，TPS56xx会关闭低端MOSFET并开启高端MOSFET，使输出电压升高；当输出电压达到或超过参考电压加上滞环带的一半时，高端MOSFET关闭，低端MOSFET开启，输出电压降低。这种控制方法能使输出电压快速响应负载或输入电压的瞬变，且无需误差放大器的传感和调整延迟，也不存在环路补偿设计和输入滤波器交互问题。

二、设计策略与规格

2.1 设计策略

SLVP111 - 114评估模块（EVM）针对5V主输入电压和6A输出电流进行了优化，同时控制器还需要一个额外的低电流12V（最大30mA）输入电压。这些EVM与SLVP104/105/106/115评估板引脚兼容，采用表面贴装元件，尺寸更小。TPS56xx控制器可提供四种常见的输出电压级别，通过调整外部电阻分压器还可微调输出电压。

2.2 设计规格总结

TPS56xx系列控制器具有多种调节功能，包括参考电压精度在±1%以内、远程感应输入、欠压锁定、过载保护、过压保护和过温保护等。同时，它还有逻辑电平抑制输入和电源良好输出。具体的EVM转换器操作规格包括输入电压范围、静态电压公差、线路和负载调节、瞬态响应、输出电流范围、电流限制、工作频率、输出纹波和效率等。

三、设计流程

3.1 TPS56xx功能

3.1.1 Vcc欠压锁定

Vcc欠压锁定电路在电源启动时，当Vcc低于10V启动阈值时禁用控制器，此时输出驱动器为低电平，软启动电容短路。当Vcc超过启动阈值时，软启动电容短路解除，转换器正常工作，且该电路具有2V的滞环以提高抗噪能力。

3.1.2 抑制功能

抑制电路是一个具有2.1V启动电压和100mV滞环的比较器。当抑制信号为低电平时，输出驱动器为低电平，软启动电容放电；当抑制信号高于启动阈值时，软启动电容短路解除，转换器正常工作。

3.1.3 软启动设计

软启动可减少上电瞬变。TPS56xx中的软启动电路通过内部电流源对连接在SLOWST和ANAGND之间的电容C21充电，输出电压在启动期间跟随软启动电容上的电压。软启动时间和电容值的选择可根据系统启动时间要求进行调整。

3.1.4 滞环设置

滞环设置决定了输出电压纹波。通过两个外部电阻设置滞环，使其以VREF为中心。在计算输出电压纹波时，需要考虑传播延迟带来的额外纹波。

3.1.5 噪声抑制

为提高抗噪能力，TPS56xx增加了噪声抑制电路，包括内部低通滤波器、共模滤波器和双脉冲抑制电路。同时，建议在VO和VSENSE引脚之间添加低通滤波器。

3.1.6 过流保护

过流保护通过测量高端MOSFET的导通电压并与参考电压比较来实现。当输出电流超过电流限制设定点时，故障锁存器置位，输出驱动器关闭。

3.1.7 过压保护

当VO超过Vref的15%时，故障锁存器置位，输出栅极驱动器关闭。同时，LODRV电路可在高端功率MOSFET短路时保护处理器。

3.1.8 电源良好

电源良好电路监测VO的欠压情况，当VO低于VREF的93%时，PWRGD输出拉低。

3.1.9 偏置

模拟偏置引脚（BIAS）为内部TPS56xx电路提供安静的偏置电源，外部负载不应由该偏置调节器驱动。

3.1.10 栅极驱动器

栅极驱动器能快速有效地驱动大容性负载，采用双极型和MOS晶体管并联的输出级。高端栅极驱动器采用自举配置，具有自适应死区时间控制，可减少内部直通电流，提高效率。

3.2 外部组件选择

3.2.1 占空比估计

占空比是高端功率开关导通时间与一个开关周期的比值，可通过公式 (D=frac{V{O}+V{DS(ON)}}{V_{I}}) 进行估算。

3.2.2 输入电容

输入电容为功率级提供低阻抗电压源，选择时需考虑ESR、ESL、RMS电流额定值和电容值等参数。

3.2.3 输出滤波器设计

输出电容

在滞环调节器中，TPS56xx基本决定了输出电压纹波，输出电容主要用于提供对快速负载瞬变的满意响应。选择输出电容时，需考虑其ESR和ESL，以满足负载瞬变时的电压变化要求。

输出电感

输出电感影响输出电压对瞬态负载的响应，同时也与电源开关频率有关。选择电感时，需考虑其电流能力、允许的工作频率和直流电阻等因素，并通过公式估算最大允许电感值。

3.2.4 开关频率分析

开关频率的估算对于确保电源效率和瞬态响应至关重要。可通过分析输出电压纹波来预测开关频率，开关频率与ESR和ESL密切相关。

3.2.5 功率MOSFET选择

TPS56xx设计用于驱动N沟道功率MOSFET，选择时需考虑其低导通电阻和漏源击穿电压额定值。同时，需计算MOSFET的功率损耗，以确保其在安全工作范围内。

四、测试结果

4.1 测试总结

4.1.1 静态线路和负载调节

TPS56XX控制器实现的精确参考电压调节器具有出色的调节特性，负载调节不超过0.26%，线路调节小于0.045%。

4.1.2 输出电压纹波

输出电压峰 - 峰纹波小于±1%，输出滤波器针对快速瞬态响应进行了优化，但输出纹波可进一步优化。

4.1.3 效率和功率损耗

不同输出电压的评估板具有不同的效率和功率损耗，低功率损耗可降低组件温度上升，提高长期可靠性。

4.1.4 输出启动和过冲

输出电压上升时间与负载电流无关，呈线性上升，无明显过冲。建议Vcc上升时间大于3ms。

4.1.5 频率变化

滞环控制器的开关频率取决于输入和输出电压以及输出滤波器特性，不同评估板的频率变化范围不同。

4.1.6 负载电流瞬态响应

滞环控制器具有出色的动态特性，能在负载瞬变发生的同一开关周期内做出响应，同时需优化输出滤波器以满足高斜率负载电流瞬变要求。

4.1.7 功能特点

EVM具有欠压锁定、抑制信号、电源良好信号、过压保护、软启动、远程感应和过流保护等功能。

4.2 测试设置

以SLVP112为例，测试时需连接电子负载、12V和5V电源，并按照一定顺序开启电源，确保输出电压在规定范围内。对于其他转换器，只需将输出电压参考值替换为相应的值即可。

4.3 测试结果展示

文档中给出了SLVP111 - 114评估模块的各种测试结果波形，包括负载调节、效率、功率损耗、开关频率、启动波形和负载瞬态波形等，这些结果验证了设计的有效性。

通过以上设计和测试，我们可以看到基于TPS56xx控制器的同步降压转换器能够满足严格的电源要求，为DSP和微处理器等设备提供高效、稳定的电源解决方案。在实际设计中，工程师们可以根据具体应用需求对各个参数进行调整和优化。大家在设计过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。