TPS6735：固定负5V 200mA反相DC/DC转换器的深度解析

在电子设计领域，DC/DC转换器是实现电源转换的关键组件。今天要介绍的德州仪器（TI）的TPS6735固定负5V 200mA反相DC/DC转换器，凭借其出色的性能和广泛的应用场景，成为众多工程师的首选。

文件下载：TPS6735EVM.pdf

一、产品概述

TPS6735能够在低至4.5V的输入电压下提供固定的负5V输出，最大输出电流可达200mA。其输入工作范围为4V至6.2V，典型效率高达78%。采用160kHz固定频率电流模式PWM控制器，具有软启动功能，可有效减少浪涌电流。该转换器提供使能（EN）输入，当不需要 -5V输出时，可将其置于关断模式，此时电源电流可降至1µA。此外，它有8引脚SOIC和DIP封装，工作温度范围为 -40°C至85°C，并且与MAX735引脚兼容。

二、产品特性及优势

（一）电气特性

1. 输入输出特性：输入电压范围为4V - 6.2V，能适应多种电源环境。输出为固定的 -5V，最大输出电流200mA，可满足大多数对负电压有需求的电路。在推荐工作条件下，输出电压在 -4.75V至 -5.25V之间，负载电流最大可达270mA，线路调整率和负载调整率均为0.2%，保证了输出电压的稳定性。
2. 效率与功耗：典型效率为78%，在100mA负载时表现出色。在无负载情况下，典型电源电流为1.9mA；当使能输入为低电平时，电源电流可降至1µA，大大降低了功耗，适合电池供电设备。
3. 频率与参考电压：振荡器频率固定为160kHz，为电路提供稳定的工作频率。参考电压为1.22V，可向外部负载提供最大125µA的电流，且参考电压漂移为50ppm/°C，具有较好的稳定性。

（二）功能特性

1. 软启动功能：通过在SS引脚连接一个小电容实现软启动，使输出电压以可控的速率上升到调节点。软启动过程中，充电的软启动电容逐渐提高误差放大器输出电压的钳位，逐周期增加电流限制阈值，从而限制上电时的浪涌电流。当使能信号变为高电平或过流故障触发软启动电容放电时，会启动软启动周期。
2. 过流保护：过流比较器实时监测功率开关中的电流，当功率开关电流峰值超过2A时，比较器触发并启动软启动周期，保护电路免受过大电流的损害。
3. 欠压锁定（UVLO）：电源电压通过分压器输入到UVLO电路，并与参考电压进行比较。当电源电压低于欠压锁定电压阈值时，MOSFET不会导通；当电源电压高于阈值时，会启动软启动周期，确保电路在合适的电压下工作。

三、内部结构与工作原理

（一）功能模块

1. 电流感测放大器：固定增益为3，对斜率补偿后的电流感测电压（电流感测电阻上的电压与振荡器斜坡的总和）进行放大，并将其馈送到PWM比较器。
2. 驱动锁存器：由置位/复位触发器和相关逻辑组成，通过开启和关闭驱动器来控制功率开关的状态。在正常操作中，触发器在时钟脉冲期间置为高电平，但门控使锁存器输出保持低电平，直到时钟脉冲结束。当PWM比较器输出为高电平时，锁存器复位。
3. 误差放大器：作为高增益差分放大器，用于调节转换器的输出电压。通过将输出电压的采样与参考电压进行比较，并放大差值，生成误差信号馈送到PWM比较器。
4. 振荡器和斜坡发生器：振荡器电路提供160kHz的时钟，用于设置转换器的工作频率，并产生用于斜率补偿的定时斜坡。时钟波形为持续几百纳秒的脉冲，用于将最大功率开关占空比限制在95%。定时斜坡与电流感测信号在电流感测放大器的输入处相加。
5. PWM比较器：当来自电流感测放大器的斜率补偿电流感测信号超过误差信号时，比较器复位驱动锁存器并关闭功率开关。

（二）工作过程

电源接通后，UVLO电路检测电源电压是否高于阈值。若高于阈值，启动软启动周期，软启动电容开始充电，输出电压逐渐上升。在正常工作时，电流感测放大器监测功率开关的电流，误差放大器根据输出电压与参考电压的差值生成误差信号。PWM比较器根据电流感测信号和误差信号的比较结果，控制功率开关的导通和关断，从而实现对输出电压的稳定调节。当出现过流情况时，过流比较器触发软启动周期，保护电路安全。

四、应用设计要点

（一）元件选择

1. 电感器：TPS6735需要一个标准的10µH电感器，其饱和电流应大于所需最大负载下的峰值开关电流。可参考典型工作特性图中峰值电感电流与负载电流的关系来确定所需的电感饱和水平。
2. 输出滤波电容：为了最小化输出纹波电压，需要使用低等效串联电阻（ESR）的输出滤波电容。对于高达200mA的输出负载，100mΩ的ESR可将输出纹波限制在90mV或更低。
3. 整流器：应使用肖特基二极管或高速硅整流器，其最大连续电流额定值为1A，以满足满载（200mA）工作的要求。

（二）PCB布局

1. 接地平面：在印刷电路板（PCB）布局中，建议使用接地平面，以确保电路的安静运行。
2. 开关环路：注意尽量减小开关环路的长度，以减少电磁干扰。
3. 旁路电容：旁路电容应尽可能靠近TPS6735放置，以防止不稳定和噪声拾取。VCC和GND应直接用1µF陶瓷电容和一个大的旁路电容（如47µF）进行旁路，以提高抗噪能力。

五、总结

TPS6735固定负5V 200mA反相DC/DC转换器以其高效、稳定的性能，在计算机外设和电池供电设备等领域具有广泛的应用前景。通过合理选择外部元件和优化PCB布局，工程师可以充分发挥该转换器的优势，设计出性能优良的电源电路。在实际应用中，你是否遇到过类似DC/DC转换器的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。