降压型开关稳压器TPS5410~TPS5450

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降压型开关稳压器TPS5410~TPS5450

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一款基于MSP430的高精度数字多功能表设计

降压型开关稳压器TPS5410~TPS5450 关键字：开关稳压器，稳压器，磁翻板液位计    日期：2012-9-11 14:37:35

为了取代降压型线性稳压器，推出新一代开关型降压稳压器系列，其输入电压为5.5V~36V，输出电流分别为1A（TPS5410），2A（TPS5420），3A（TPS5430）及5A（TPS5450）系列，其主要性能及特点：磁翻板液位计 * 宽的输入电压范围从5.5V~36V。 * 高的转换效率，从90%~95%，内部功率开关导通电阻分别为110mΩ的MOSFET开关。 * 输出电压范围从1.22V~35V，精度为1.5%。 * 设置好内部放大器补偿网络，大幅度减少外部元件。浮标液位计 * 固定开关频率在500KHZ，大幅度减小了外部电感电容的体积。 * 好的线性调整率和瞬态响应能力。 * 保护系统包括过流保护和芯片过热保护。 * 工作环境为-40℃~+125℃。 * 采用有散热底板的POWER-SO-8封装。 该器件有广泛的市场空间，如机顶盒，DVD，LCD-TV，工业电子产品，音频系统电源，电池充电，LED驱动，适用于输入电压为24V及12V的电子系统。 其8个引脚功能如下：浮球液位计 1PIN——BOOT，为高边MOSFET驱动用的升压电容接线端，外接0.01μF电容从BOOT到PH端。 2PIN——NC。 3PIN——NC。 4PIN——VSENSE。反馈输入端，外部用电阻分压器接到输出。液位计 5PIN——ENA，芯片的ON/OFF控制端，其电平在0.5V以下时，器件停止开关，将其浮动时，芯片即使能。 6PIN——GND，IC公共端。 7PIN——VIN，外部电压输入端。紧靠IC外接旁路电容。 8PIN——PH，高边功率开关的源极，接到外部电感及回流二极管。 POWER PAD，封装底部金属板，外接至PGND。 TPS5410~50系列开关稳压器内部等效电路如图1所示，基本应用电路如图2。         图1  TPS5410 系列内部等效方块电路           图2  TPS5410系列基本应用电路 下面详细介绍其原理和功能。   * 振荡频率 内部自由运转振荡器设置PWM的开关频率在500KHZ，这样可以大幅度减小输出电感感量，同时保持好的纹波。   * 电压基准 电压基准系统产生一个精密的基准电压信号给误差放大器，其电压值为1.221V，为优秀的能隙式基准电压源。   * 使能和内部软起动 ENA端提供电气的开启/关断控制给稳压器，一旦ENA端电压超出阈值电压，稳压器即开始工作，内部软起动电压开始上斜，如果ENA端电压拉到阈值电压以下，稳压器停止开关，内部的软起动功能复位，将此端接GND或任何低于0.5V电压将禁止稳压器工作，此时TPS5410系列工作电流典型为18μA。 ENA端有一个内部上拉电流源，它允许用户将此端悬浮，如果需要控制此端，外部可用开路漏极或开路集电极的器件与之接口，用此方法限制起动时的冲击电流，内部的软起动电路用来产生一个从0V到最终值的上斜电压，软起动时间典型为8mS。   * 欠压闩锁功能 TPS5410系列加入一个欠压闩锁电路以保持器件VIN电压低于UVLO阈值时闩锁不起动，在加电期间内部电路协助其不激活，直到VIN超出UVLO起始阈值电压，一旦UVLO起始阈值电压达到，器件即开始起动，器件进入正常工作，在VIN降到UVLO以下时停止工作，其UVLO有330mV的比较器窗口。   * 升压电容 外接一支0.01μF低ESR瓷片电容在BOOT端与PH端之间这电容提供栅驱动电压给内部高边功率MOSFET作驱动源。   * 输出反馈和内部补偿 输出电压的设置由外部加一个电阻分压器网络从结点将电压送到VSENSE端，稳态工作时，VSENSE端电压为1.221。 TPS5410系列用内部补偿网络来简化稳压器的设计，由于TPS5410系列为电压型控制，采用Ⅲ型补偿网络，提供一个高复盖频率及高的相移以保持系统稳定。   * 电压前馈 内部电压前馈提供一个恒定的功率级增益应对任何输入电压的变化，这极大地提高了系统的稳定性，改善了瞬态响应。电压前馈的正向变化改变内部上斜电压应对输入电压变化，调制功率级增益，前馈增益由下式表示：                                        （1） 其典型值为25（对TPS5410系列）。   * 脉宽调制控制 稳压器采用固定频率脉冲宽度调制器的控制方法，首先，反馈电压与基准电压比较送入高增益的误差放大器产生误差电压，然后误差电压与PWM比较器的上斜电压比较，用此方法，误差电压的幅度即控制了脉冲宽度，即控制了占空比，最后PWM输出送入栅驱动电路控制高边功率MOSFET的导通时间。   * 过流保护 过流保护采用检测高边MOSFET源漏电压的方法进行漏源电压与事先设置的过流保护阈值比较，如电动机漏源电压超过过流阈值限制，过流指示器设置真，于是系统将不管过流指示器，在每个周期的前沿消隐时间关断开关，并防止任何开启噪声的失灵。 一旦过流指示器设置真，过流保护被触发，高边MOSFET关断，在一个小的延迟之后周期复位，过流保护系统逐个周期模式的限流。 如果检测电流连续在逐个周期限流模式下增加，则进入打呃的过流保护，它触发后替代了逐个周期限流模式，在打呃模式过流保护期间，电压基准电平跌到地电平，高边MOSFET完全关断，一旦打呃时间过去，稳压器重新开始软起动。   * 过热关断 TPS5410系列在过热时自行关断，由内部过热关断电路执行。在其结温超过保护点时，电压基准电平跌到地电平，高边MOSFET关断，在芯片结温降下到过热保护点14℃以下时，重新起动软起动电路。 样板的PCB布局如图3所示，实际应用电路如图4，为12V到5V的原理图。        图3 样板的PCB参考布局        图4 实际应用电路（输入11-20V）输出5V。 设计过程如下： 给出的已知条件： 输入电压范围，输出电压，输入纹波电压，输出纹波电压，输入电流范围，工作频率。 设计参数给出如下表。  * 开关频率，TPS5410系列设定在500KHZ，外部无法改变。  * 输入电容 TPS5410系列需要输入去耦电容，这取决于应用需大的输入电容。推荐值为C1=10μF，需要高品质的瓷介电容，容量要防止输入电压和电流的纹波不要超出，耐压必需大于最高输入电压。 输入电压纹波可用下式计算                                  （2） 此处，IOUT（MAX）为最大负载电流，fSW为开关频率，CIN为输入电容，ESRMAX为输入电容的最大等效串联电阻。 最大RMS纹波电流需要检测，对最坏情况用下式估算：                                                    （3） 在此情况输入纹波电压为156mV，RMS纹波电流为1.5A，最大电压在输入电容上将是VINMAX+ΔVIN/2，这对选择输入电容时必须考虑，其纹波电流将大于3A，这对于设计输入电容非常重要。 此外，也可以加一些大容量电容 ，特别是TPS5410系列的PCB板位置离CIN超过2英寸时，要令最大输入纹波电压及纹波电流都能接受。  * 输出滤波电容 在输出滤波电路中，要选择两个元件即L1和C2，因为TPS5410系列为内部元件较多的器件，滤波元件选择计算如下： 电感元件最小电感值为：                                 （4） KIND系数，它表示纹波电流相对最大输出电流的总量当决定纹波电流总量时需要考虑三个因素。 首先是峰峰纹波电流会影响输出纹波电压，其次它影响峰值的开关电流，第三个影响电路进入断续型工作模式的工作点，这样考虑KIND选择0.2～0.3，低的输出纹波电压可以用合适的输出电容设计改善，峰值开关电流必须低于所设置的过流保护点，要在进入断续电流模式之前就有相对的负载电流。 对此设计，使用KIND=0.2，最小电感值12.5为μH，最高值为15μH。 对于输出滤波电感重要参数为RMS电流不得超出饱和电流，其RMS电流计算如下式：                                 （5） 峰值电感电流由下式决定：                                      （6） 对此设计，RMS电感电流为3.003A，峰值为3.31A，选L1=15μH，饱和电流要大于3.4A，RMS电流为3.6A，对该系列IC电感值基本为10μH～100μH。  * 电容的选择 输出电容设计对输出电压纹波很重要，直流电压和纹波电流比率，等效串联电阻是其三个考虑要素，输出电容的实际值不能在临界处，必须超出，还要考虑整个闭环系统的跨越频率，LC系统的角频，由于补偿元件在IC内部，需要保持其跨越频率在3KHZ到30KHZ之间，以适应相移要求从而保持系统稳定工作，对此例假设内部闭环跨越频率在2.59KHZ～24KHZ，且低于输出电容的ESR的零点以下，在这些条件下闭环跨越频率相对于LC角频率为：                                                         （7） 对输出滤波所需要的输出电容：                                        （8） 对设计的18KHZ及15μH电感，计算值为输出电容220μF，电容要选择ESR在环路跨越处接近0的电容，其最大ESR为：                                              （9） 输出电容的最大ESRMAX还决定了输出纹波电压的总量，输出纹波电压是电感纹波电流乘以输出滤波电容的ESR，检查输出电容的最大ESR，要求其符合输出电压纹波的要求。                           （10） 此处，ΔVP-P为所要求的输出电压纹波的峰峰值。 　　NC为并联电容的数量。     FSW为开关频率。 对此设计实例，可以选择单一电容C3为220μF，计算的RMS纹波电流为143mA，最大ESR为40mΩ，电容为10V耐压，ESR＜40mΩ，再附加并联一支0.1μF的瓷介电容作为高频旁路电容，但不能包括在此设计的总容量中。 输出电容的最小ESR对更好的相移要满足内部在24～54KHZ下的补偿的极点。 选择输出电容还必须令其耐压大于输出电压加上纹波电压。最大RMS纹波电流由下式给出：                                 （11） 此处NC为输出电容并联数。 FSW为开关频率。 TPS5410系列IC周围其它电容按应用需要配置。  * 输出电压设置 TPS5410系列输出电压由外部电阻分压器（R1和R2）设置，根据VSENSE端电压计算。 选定R1，计算R2，推荐R1为10KΩ。                                                 （12） 对于VOUT=5V，R2=3.24KΩ。  * 升压电容 推荐升压电容选择0.01μF。  * 回流二极管 TPS5410系列设计使用外部的二极管接于PH和GND端，选择的二极管必须满足最大电流最大电压最小压降的需要，其反向恢复电压必须高于PH端的电压，其为VINMAX+0.5V，更低的VF可以有效改善效率，此外还要考虑其功耗，对此设计选择B340A，为40V耐压3A电流，正向压降0.5V。  * 附加电路 如图5所示，为适应宽的输入电压范围，选择了更大的输出电感，更低的环路跨越频率。          图5 12-35V输入5V输出的实际电路  * 输出电压的限制 TPS5410系列还给出了输出电压上下限的限制，上限最大占空比给出VOUTMAX。       （13） 此处，VINMIN为最小输入电压。       IOMAX为最大负载电流。       VD-回流二极管正向压降。       RL-输出电感的等效串联电阻。 输出电压的低限由最小导通时间决定，其为200nS，相应下限为：           （14） 此处，VINMAX为最大输入电压。       IOMAX为最小负载电流。       VD-回流二极管正向压降。       RL-输出电感的等效串联电阻。