基于TPS54610的同步降壓DC／DC電源設(shè)計(jì)

1引言

流的MOSFET開關(guān)管，可輸出6A電流，輸出電壓從0.9V到3.3V可調(diào)，精確率可達(dá)1％，脈寬調(diào)制頻率既可固定在350kHz或550kHz，也可以在280kHz到700kHz之間調(diào)整；另外，它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關(guān)斷電路。

TPS54610集成化的設(shè)計(jì)減少了元件數(shù)量和體積。因此，可廣泛用于低電壓輸入高電流輸出的分散電源系統(tǒng)(如DSP、FPGA、A－SIC、微處理器電源，寬帶網(wǎng)絡(luò)和光纖通訊以及便攜式筆記本電腦的電源系統(tǒng))中。

2 TPS54610的引腳功能 AGND(1腳):模擬地。

BOOT(5腳):自舉電路輸出，在BOOT腳和PH腳間應(yīng)連接0.02～0.1μF的電容。

COMP(3腳):誤差放大器輸出，COMP腳與VSENSE腳間應(yīng)接頻率補(bǔ)償電路。

PGND(15～19腳):電源地，使用時(shí)應(yīng)與AGND單點(diǎn)連接。

PH(6～14腳):相輸出，功率MOSFET高低端與輸出電感的連接點(diǎn)。

PWRGD(4腳):"電源好"輸出，當(dāng)VSENSE端的電壓高于Vref的90％時(shí)，輸出為高；否則為低。注意:當(dāng)SS／ENA引腳為低或內(nèi)部SHUTDOWN有效時(shí)，該引腳始終為低。

RT(28腳):頻率設(shè)置電阻輸入，在RT和AGND間連接一個(gè)電阻可以設(shè)置開關(guān)頻率，當(dāng)使用SYNC端時(shí)，通過RT設(shè)置的頻率應(yīng)稍低于外部振蕩器的頻率。

SS／ENA(26腳):軟啟動(dòng)／輸入輸出使能端，可提供控制器允許工作邏輯，該腳的另一個(gè)功能是通過外接電容來設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。

SYNC(27腳):同步輸入，可提供外部振蕩器同步邏輯信號(hào)，此時(shí)要求RT引腳必須連接一個(gè)電阻，在內(nèi)部振蕩時(shí)用于開關(guān)頻率的切換。

VBIAS(25腳):內(nèi)部偏壓調(diào)節(jié)，與AGND引腳間應(yīng)接一個(gè)0.1μF～1μF的陶瓷電容。

VIN(20～24腳):電源輸入，與PGND間應(yīng)連接10μF的陶瓷電容。VSENSE(2腳):誤差電壓放大器反向輸入，可通過補(bǔ)償和分壓電路與輸出端相連。

3電路設(shè)計(jì)

3.1內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償

內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償是TI公司電源控制芯片采用的兩種不同的電路形式。采用內(nèi)部補(bǔ)償?shù)目刂破髁η鬁p少外部元件的數(shù)量和印制板的尺寸，因此電路簡單，并可采用軟件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)來設(shè)計(jì)。但內(nèi)部補(bǔ)償控制器存在兩個(gè)缺點(diǎn)，第一是內(nèi)部補(bǔ)償控制器的降壓變換電路只能獲得固定的電壓輸出，如TPS54611獲得的輸出電壓固定為0.9V，而TPS54616獲得的輸出電壓固定為3.3V；另一個(gè)缺點(diǎn)是內(nèi)部補(bǔ)償限制了輸出電容和電感的選擇。很多情況下，出于各種考慮，如輸出電壓可調(diào)、輸出電容和電感利用率和費(fèi)用的要求，不允許采用內(nèi)部補(bǔ)償方式。在這種情況下，外部補(bǔ)償芯片TPS54610便能提供更好的解決方案。下面介紹的就是基于TPS54610外部補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的電路構(gòu)成及設(shè)計(jì)方法。

3.2電路設(shè)計(jì)步驟

圖2所示是以TPS54610為核心的外部補(bǔ)償降壓變換電路?，F(xiàn)以該電路為例說明其設(shè)計(jì)方法。

(1)開關(guān)頻率的選擇　

當(dāng)SYNC引腳接地時(shí)，開關(guān)頻率為350kHz，當(dāng)SYNC接輸入電源電壓時(shí)，開關(guān)頻率為550kHz。為了獲得可以調(diào)整的開關(guān)頻率，可在RT引腳和地之間接一個(gè)外部電阻R1以使其頻率可以在280～700kHz之間進(jìn)行調(diào)整。開關(guān)頻率與R1的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示，這種情況下，SYNC應(yīng)斷開。從圖中可以看出，100kΩ對應(yīng)的開關(guān)頻率為500kHz，其實(shí)際誤差在±8％以內(nèi)。

(2)輸入電容的選擇

輸入解耦電容C2可用來減少高頻噪聲，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇1μF～10μF的陶瓷電容，并應(yīng)盡量靠近集成芯片安裝。

降壓輸入電容C1可用于減少輸入紋波電壓。但如果解耦電容已足夠?yàn)V波，可不設(shè)置該電容。為了確定是否需要該電容，首先要確定最大允許紋波電壓。為確保能夠正常工作，TPS54610的紋波電壓峰峰值不允許超過300mV。

(3)輸出濾波元件的選擇　　

輸出濾波電路由輸出電感L1和輸出電容COUT(圖2中C8、C9、C10)組成。和內(nèi)部補(bǔ)償控制器相比，TPS54610對這兩個(gè)元件的選擇通常限制不大。

(4)補(bǔ)償元件的選擇

反饋補(bǔ)償電路包含元件圖中的R2、R3、R5、R6，元器件的選取方法有多種，定性和較寬的帶寬。 先應(yīng)考慮的是補(bǔ)償誤差放大次，補(bǔ)償誤差放大器應(yīng)將到100mV左右，另外，電路總的回路串?dāng)_頻率應(yīng)小于開關(guān)頻率的1／8，同時(shí)相角裕量至少應(yīng)為45°。

通過圖2中補(bǔ)償元件的參數(shù)設(shè)計(jì)可將總的回路響應(yīng)串?dāng)_頻率范圍限制在10～0kHz，相位裕量范圍設(shè)定在0～90°之間。圖中各電阻的偏差應(yīng)小于1％，電容偏差應(yīng)小于10％。

（5）偏置電路和自舉電容的選擇

偏置電容C4一般采用0.1μF的陶瓷電容，并置于VBIAS和AGND之間。自舉電容C7一般采用0.022～0.1μF的陶瓷電容，并將其連接在BOOT引腳和PH之間。

（6）軟啟動(dòng)時(shí)間的選擇

TPS54610內(nèi)部含有軟啟動(dòng)電路，可用來控制啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的上升時(shí)間，內(nèi)部慢啟動(dòng)時(shí)間設(shè)置為3.6ms。另外，通過在SS／ENA引腳連接軟啟動(dòng)電容C3可使其輸出電壓的上升時(shí)間超過內(nèi)部設(shè)置值，軟啟動(dòng)電容的選擇可由下式得到： Css＝5 tss／0.891式中，tss為軟啟動(dòng)時(shí)間。

軟啟動(dòng)一般從輸入電壓超過3V的啟動(dòng)閾值電壓開始，之后，如果使用內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，輸出電壓將開始以線性方式上升到輸出電壓值，而如果外接有軟啟動(dòng)電容，輸出電壓將經(jīng)過固定的延時(shí)tDELAY后開始上升，tDELAY取決于軟啟動(dòng)電容的取值，它可由下式計(jì)算： tDELAY＝1.2 CSS／5μF　　

采用上述參數(shù)設(shè)計(jì)的圖2電路的輸出電壓為1.8V，輸出電流可達(dá)6A，開關(guān)頻率為680kHz。電路中的輸出濾波電容由C8、C9、C10共同組成。