降壓型開關穩壓器TPS5410~TPS5450

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降壓型開關穩壓器TPS5410~TPS5450

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一款基于MSP430的高精度數字多功能表設計

降壓型開關穩壓器TPS5410~TPS5450 關鍵字：開關穩壓器，穩壓器，磁翻闆液位計    日期：2012-9-11 14:37:35

為了取代降壓型線性穩壓器，推出新一代開關型降壓穩壓器系列，其輸入電壓為5.5V~36V，輸出電流分别為1A（TPS5410），2A（TPS5420），3A（TPS5430）及5A（TPS5450）系列，其主要性能及特點：磁翻闆液位計 * 寬的輸入電壓範圍從5.5V~36V。 * 高的轉換效率，從90%~95%，内部功率開關導通電阻分别為110mΩ的MOSFET開關。 * 輸出電壓範圍從1.22V~35V，精度為1.5%。 * 設定好内部放大器補償網絡，大幅度減少外部元件。浮标液位計 * 固定開關頻率在500KHZ，大幅度減小了外部電感電容的體積。 * 好的線性調整率和瞬态響應能力。 * 保護系統包括過流保護和晶片過熱保護。 * 工作環境為-40℃~+125℃。 * 采用有散熱底闆的POWER-SO-8封裝。 該器件有廣泛的市場空間，如機頂盒，DVD，LCD-TV，工業電子産品，音頻系統電源，電池充電，LED驅動，适用于輸入電壓為24V及12V的電子系統。 其8個引腳功能如下：浮球液位計 1PIN——BOOT，為高邊MOSFET驅動用的升壓電容接線端，外接0.01μF電容從BOOT到PH端。 2PIN——NC。 3PIN——NC。 4PIN——VSENSE。回報輸入端，外部用電阻分壓器接到輸出。液位計 5PIN——ENA，晶片的ON/OFF控制端，其電平在0.5V以下時，器件停止開關，将其浮動時，晶片即使能。 6PIN——GND，IC公共端。 7PIN——VIN，外部電壓輸入端。緊靠IC外接旁路電容。 8PIN——PH，高邊功率開關的源極，接到外部電感及回流二極管。 POWER PAD，封裝底部金屬闆，外接至PGND。 TPS5410~50系列開關穩壓器内部等效電路如圖1所示，基本應用電路如圖2。         圖1  TPS5410 系列内部等效方塊電路           圖2  TPS5410系列基本應用電路 下面詳細介紹其原理和功能。   * 振蕩頻率 内部自由運轉振蕩器設定PWM的開關頻率在500KHZ，這樣可以大幅度減小輸出電感感量，同時保持好的紋波。   * 電壓基準 電壓基準系統産生一個精密的基準電壓信号給誤差放大器，其電壓值為1.221V，為優秀的能隙式基準電壓源。   * 使能和内部軟起動 ENA端提供電氣的開啟/關斷控制給穩壓器，一旦ENA端電壓超出門檻值電壓，穩壓器即開始工作，内部軟起動電壓開始上斜，如果ENA端電壓拉到門檻值電壓以下，穩壓器停止開關，内部的軟起動功能複位，将此端接GND或任何低于0.5V電壓将禁止穩壓器工作，此時TPS5410系列工作電流典型為18μA。 ENA端有一個内部上拉電流源，它允許使用者将此端懸浮，如果需要控制此端，外部可用開路漏極或開路集電極的器件與之接口，用此方法限制起動時的沖擊電流，内部的軟起動電路用來産生一個從0V到最終值的上斜電壓，軟起動時間典型為8mS。   * 欠壓闩鎖功能 TPS5410系列加入一個欠壓闩鎖電路以保持器件VIN電壓低于UVLO門檻值時闩鎖不起動，在加電期間内部電路協助其不激活，直到VIN超出UVLO起始門檻值電壓，一旦UVLO起始門檻值電壓達到，器件即開始起動，器件進入正常工作，在VIN降到UVLO以下時停止工作，其UVLO有330mV的比較器視窗。   * 升壓電容 外接一支0.01μF低ESR瓷片電容在BOOT端與PH端之間這電容提供栅驅動電壓給内部高邊功率MOSFET作驅動源。   * 輸出回報和内部補償 輸出電壓的設定由外部加一個電阻分壓器網絡從結點将電壓送到VSENSE端，穩态工作時，VSENSE端電壓為1.221。 TPS5410系列用内部補償網絡來簡化穩壓器的設計，由于TPS5410系列為電壓型控制，采用Ⅲ型補償網絡，提供一個高涵蓋頻率及高的相移以保持系統穩定。   * 電壓前饋 内部電壓前饋提供一個恒定的功率級增益應對任何輸入電壓的變化，這極大地提高了系統的穩定性，改善了瞬态響應。電壓前饋的正向變化改變内部上斜電壓應對輸入電壓變化，調制功率級增益，前饋增益由下式表示：                                        （1） 其典型值為25（對TPS5410系列）。   * 脈寬調制控制 穩壓器采用固定頻率脈沖寬度調制器的控制方法，首先，回報電壓與基準電壓比較送入高增益的誤差放大器産生誤差電壓，然後誤差電壓與PWM比較器的上斜電壓比較，用此方法，誤差電壓的幅度即控制了脈沖寬度，即控制了占空比，最後PWM輸出送入栅驅動電路控制高邊功率MOSFET的導通時間。   * 過流保護 過流保護采用檢測高邊MOSFET源漏電壓的方法進行漏源電壓與事先設定的過流保護門檻值比較，如電動機漏源電壓超過過流門檻值限制，過流訓示器設定真，于是系統将不管過流訓示器，在每個周期的前沿消隐時間關斷開關，并防止任何開啟噪聲的失靈。 一旦過流訓示器設定真，過流保護被觸發，高邊MOSFET關斷，在一個小的延遲之後周期複位，過流保護系統逐個周期模式的限流。 如果檢測電流連續在逐個周期限流模式下增加，則進入打呃的過流保護，它觸發後替代了逐個周期限流模式，在打呃模式過流保護期間，電壓基準電平跌到地電平，高邊MOSFET完全關斷，一旦打呃時間過去，穩壓器重新開始軟起動。   * 過熱關斷 TPS5410系列在過熱時自行關斷，由内部過熱關斷電路執行。在其結溫超過保護點時，電壓基準電平跌到地電平，高邊MOSFET關斷，在晶片結溫降下到過熱保護點14℃以下時，重新起動軟起動電路。 樣闆的PCB布局如圖3所示，實際應用電路如圖4，為12V到5V的原理圖。        圖3 樣闆的PCB參考布局        圖4 實際應用電路（輸入11-20V）輸出5V。 設計過程如下： 給出的已知條件： 輸入電壓範圍，輸出電壓，輸入紋波電壓，輸出紋波電壓，輸入電流範圍，工作頻率。 設計參數給出如下表。  * 開關頻率，TPS5410系列設定在500KHZ，外部無法改變。  * 輸入電容 TPS5410系列需要輸入去耦電容，這取決于應用需大的輸入電容。推薦值為C1=10μF，需要高品質的瓷介電容，容量要防止輸入電壓和電流的紋波不要超出，耐壓必需大于最高輸入電壓。 輸入電壓紋波可用下式計算                                  （2） 此處，IOUT（MAX）為最大負載電流，fSW為開關頻率，CIN為輸入電容，ESRMAX為輸入電容的最大等效串聯電阻。 最大RMS紋波電流需要檢測，對最壞情況用下式估算：                                                    （3） 在此情況輸入紋波電壓為156mV，RMS紋波電流為1.5A，最大電壓在輸入電容上将是VINMAX+ΔVIN/2，這對選擇輸入電容時必須考慮，其紋波電流将大于3A，這對于設計輸入電容非常重要。 此外，也可以加一些大容量電容 ，特别是TPS5410系列的PCB闆位置離CIN超過2英寸時，要令最大輸入紋波電壓及紋波電流都能接受。  * 輸出濾波電容 在輸出濾波電路中，要選擇兩個元件即L1和C2，因為TPS5410系列為内部元件較多的器件，濾波元件選擇計算如下： 電感元件最小電感值為：                                 （4） KIND系數，它表示紋波電流相對最大輸出電流的總量當決定紋波電流總量時需要考慮三個因素。 首先是峰峰紋波電流會影響輸出紋波電壓，其次它影響峰值的開關電流，第三個影響電路進入斷續型工作模式的工作點，這樣考慮KIND選擇0.2～0.3，低的輸出紋波電壓可以用合适的輸出電容設計改善，峰值開關電流必須低于所設定的過流保護點，要在進入斷續電流模式之前就有相對的負載電流。 對此設計，使用KIND=0.2，最小電感值12.5為μH，最高值為15μH。 對于輸出濾波電感重要參數為RMS電流不得超出飽和電流，其RMS電流計算如下式：                                 （5） 峰值電感電流由下式決定：                                      （6） 對此設計，RMS電感電流為3.003A，峰值為3.31A，選L1=15μH，飽和電流要大于3.4A，RMS電流為3.6A，對該系列IC電感值基本為10μH～100μH。  * 電容的選擇 輸出電容設計對輸出電壓紋波很重要，直流電壓和紋波電流比率，等效串聯電阻是其三個考慮要素，輸出電容的實際值不能在臨界處，必須超出，還要考慮整個閉環系統的跨越頻率，LC系統的角頻，由于補償元件在IC内部，需要保持其跨越頻率在3KHZ到30KHZ之間，以适應相移要求進而保持系統穩定工作，對此例假設内部閉環跨越頻率在2.59KHZ～24KHZ，且低于輸出電容的ESR的零點以下，在這些條件下閉環跨越頻率相對于LC角頻率為：                                                         （7） 對輸出濾波所需要的輸出電容：                                        （8） 對設計的18KHZ及15μH電感，計算值為輸出電容220μF，電容要選擇ESR在環路跨越處接近0的電容，其最大ESR為：                                              （9） 輸出電容的最大ESRMAX還決定了輸出紋波電壓的總量，輸出紋波電壓是電感紋波電流乘以輸出濾波電容的ESR，檢查輸出電容的最大ESR，要求其符合輸出電壓紋波的要求。                           （10） 此處，ΔVP-P為所要求的輸出電壓紋波的峰峰值。 　　NC為并聯電容的數量。     FSW為開關頻率。 對此設計執行個體，可以選擇單一電容C3為220μF，計算的RMS紋波電流為143mA，最大ESR為40mΩ，電容為10V耐壓，ESR＜40mΩ，再附加并聯一支0.1μF的瓷介電容作為高頻旁路電容，但不能包括在此設計的總容量中。 輸出電容的最小ESR對更好的相移要滿足内部在24～54KHZ下的補償的極點。 選擇輸出電容還必須令其耐壓大于輸出電壓加上紋波電壓。最大RMS紋波電流由下式給出：                                 （11） 此處NC為輸出電容并聯數。 FSW為開關頻率。 TPS5410系列IC周圍其它電容按應用需要配置。  * 輸出電壓設定 TPS5410系列輸出電壓由外部電阻分壓器（R1和R2）設定，根據VSENSE端電壓計算。 標明R1，計算R2，推薦R1為10KΩ。                                                 （12） 對于VOUT=5V，R2=3.24KΩ。  * 升壓電容 推薦升壓電容選擇0.01μF。  * 回流二極管 TPS5410系列設計使用外部的二極管接于PH和GND端，選擇的二極管必須滿足最大電流最大電壓最小壓降的需要，其反向恢複電壓必須高于PH端的電壓，其為VINMAX+0.5V，更低的VF可以有效改善效率，此外還要考慮其功耗，對此設計選擇B340A，為40V耐壓3A電流，正向壓降0.5V。  * 附加電路 如圖5所示，為适應寬的輸入電壓範圍，選擇了更大的輸出電感，更低的環路跨越頻率。          圖5 12-35V輸入5V輸出的實際電路  * 輸出電壓的限制 TPS5410系列還給出了輸出電壓上下限的限制，上限最大占空比給出VOUTMAX。       （13） 此處，VINMIN為最小輸入電壓。       IOMAX為最大負載電流。       VD-回流二極管正向壓降。       RL-輸出電感的等效串聯電阻。 輸出電壓的低限由最小導通時間決定，其為200nS，相應下限為：           （14） 此處，VINMAX為最大輸入電壓。       IOMAX為最小負載電流。       VD-回流二極管正向壓降。       RL-輸出電感的等效串聯電阻。