Texas Instruments TPS7H500x-SP：太空應(yīng)用DC - DC轉(zhuǎn)換器的理想之選

作為電子工程師，在設(shè)計DC - DC轉(zhuǎn)換器時，尤其是針對太空應(yīng)用，需要考慮諸多因素，如輻射耐受性、性能指標(biāo)和電路布局等。今天就來和大家聊聊Texas Instruments的TPS7H500x - SP系列輻射抗擾PWM控制器，這是我在眾多控制器中比較鐘愛的一款產(chǎn)品。

文件下載：tps7h5003-sp.pdf

一、產(chǎn)品概述與特點(diǎn)

TPS7H500x - SP系列包括TPS7H5001 - SP、TPS7H5002 - SP、TPS7H5003 - SP和TPS7H5004 - SP，專為太空應(yīng)用設(shè)計，具有出色的輻射耐受性，總電離劑量（TID）可達(dá)100krad(Si)，并且對SEL、SEB和SEGR免疫，LET高達(dá)(75 MeV - cm^{2} / mg) 。輸入電壓范圍為4V至14V，內(nèi)部參考電壓為0.613V，精度為+ 0.7%/ - 1%，開關(guān)頻率可配置，最高達(dá)2MHz。該系列還提供可編程的斜率補(bǔ)償和軟啟動功能，以滿足不同的設(shè)計需求。

二、產(chǎn)品差異分析

2.1 輸出配置

不同型號在輸出配置上有所不同。TPS7H5001 - SP和TPS7H5004 - SP具有雙主輸出（OUTA和OUTB），而TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP只有單主輸出（OUTA）。在同步整流輸出方面，TPS7H5001 - SP有兩個（SRA和SRB），TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP有一個（SRA），TPS7H5004 - SP則沒有同步整流輸出。這種差異使得工程師在選擇時需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景，如負(fù)載需求、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行考量。

2.2 功能配置

• 死區(qū)時間設(shè)置：TPS7H5001 - SP和TPS7H5002 - SP的死區(qū)時間可通過電阻編程，而TPS7H5003 - SP的死區(qū)時間固定為典型值50ns。
• 前沿消隱時間設(shè)置：TPS7H5001 - SP、TPS7H5002 - SP和TPS7H5004 - SP的前沿消隱時間可通過電阻編程，TPS7H5003 - SP的前沿消隱時間固定為典型值50ns。
• 占空比限制：TPS7H5001 - SP的占空比限制可選50%、75%或100%；TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP可選75%或100%；TPS7H5004 - SP僅支持50%的占空比限制。

三、電氣特性與性能分析

3.1 絕對最大額定值

了解產(chǎn)品的絕對最大額定值對于工程師來說至關(guān)重要，這是確保產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。TPS7H500x - SP的輸入電壓范圍為 - 0.3V至16V，各引腳的電壓也有相應(yīng)的限制范圍，如RT、VSENSE等引腳為 - 0.3V至3.3V，SYNC引腳為 - 0.3V至7.5V等。結(jié)溫范圍為 - 55°C至150°C，儲存溫度范圍為 - 65°C至150°C。在實際應(yīng)用中，我們必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)，避免因超出額定值而損壞器件。

3.2 靜態(tài)電流與開關(guān)頻率的關(guān)系

從典型特性曲線中可以看出，該系列控制器的工作電流和待機(jī)電流與開關(guān)頻率密切相關(guān)。隨著開關(guān)頻率的增加，工作電流也會相應(yīng)增大。例如，當(dāng)開關(guān)頻率為500kHz且無負(fù)載時，工作電流典型值為6.25mA；當(dāng)開關(guān)頻率提高到2MHz時，工作電流典型值上升到8.5mA。這就要求我們在設(shè)計時，需要權(quán)衡開關(guān)頻率和功耗之間的關(guān)系，以滿足系統(tǒng)的性能和功耗要求。

3.3 電壓參考精度

內(nèi)部電壓參考在整個系列中具有較高的精度，在不同的溫度和工作條件下，能夠保持在+ 0.7%/ - 1%的范圍內(nèi)。這對于設(shè)計高精度的電源轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，能夠確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

四、典型應(yīng)用案例 - 同步推挽轉(zhuǎn)換器設(shè)計

這里以TPS7H5001 - SP為例，設(shè)計一個同步推挽轉(zhuǎn)換器。

4.1 設(shè)計要求

明確設(shè)計要求是設(shè)計的第一步。本次設(shè)計的輸出電壓為5V，最大輸出電流為20A，輸出預(yù)載電流為0.5mA，工作溫度為25°C，開關(guān)頻率為500kHz，峰值輸入電流限制為14A，目標(biāo)帶寬約為10kHz。

4.2 詳細(xì)設(shè)計步驟

• 開關(guān)頻率設(shè)置：根據(jù)公式(RT=frac{112000}{f_{sw}} - 19.7)，計算出滿足500kHz開關(guān)頻率所需的RT電阻值為204.3kΩ，實際選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值205kΩ。
• 輸出電壓編程電阻選擇：使用公式(R{BOTTOM }=frac{V{REF}}{V{OUT } - V{REF }} × R{TOP })，選擇(R{TOP})為10kΩ時，計算出(R_{BOTTOM})為1.397kΩ，實際選擇1.4kΩ。
• 死區(qū)時間設(shè)置：考慮到GaN FET的特性，將死區(qū)時間設(shè)置為約25ns。根據(jù)公式(R{PS}=R{SP}=1.207 × D T - 8.858)，計算出所需電阻值為21.3kΩ，實際選擇20.5kΩ。
• 前沿消隱時間設(shè)置：初始選擇前沿消隱時間為約50ns，通過公式(R{LEB}=1.212 × LEB - 9.484)計算出(R{LEB})為51.1kΩ，實際選擇49.9kΩ。不過在實際設(shè)計中，由于PCB布局的寄生參數(shù)和門驅(qū)動器的傳播延遲等因素影響，這個值可能需要進(jìn)一步優(yōu)化。
• 軟啟動電容選擇：選擇軟啟動電容為33nF，根據(jù)公式(t{SS}=frac{C{SS} × V{REF}}{I{SS}})，計算出軟啟動時間約為7.5ms。
• 變壓器設(shè)計：
  • 匝數(shù)比計算：根據(jù)目標(biāo)規(guī)格，選擇最大占空比約為35%，通過公式(N{P S{-} MAX }=frac{2 × V{IN _MIN } × D{LIM }}{V{OUT } + V{SR}})計算出最大匝數(shù)比為2.8，實際選擇2.5。
  • 初級電感計算：選擇磁化電流為輸出電流的6%，根據(jù)公式(L{p}=frac{N{P S} × V{I N _M A X} × D{MIN }}{f{sw} × I{MAG }})計算出初級電感為33μH，實際使用40μH。同時，還計算了變壓器的初級和次級電流，這些參數(shù)對于確定變壓器的物理結(jié)構(gòu)非常重要。
• 主開關(guān)FET和同步整流FET選擇：
  • 主開關(guān)FET：在推挽拓?fù)渲校跫墏?cè)開關(guān)器件承受的電壓為輸入電壓的兩倍，因此選擇耐壓170V的GaN FET，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的瞬態(tài)尖峰。
  • 同步整流FET：通過公式(V{SR _T R E S S}=V{OUT } + frac{V{IN _ MAX }}{N{PS }})計算出最大電壓應(yīng)力為19.4V，實際選擇耐壓80V的GaN FET。為了降低軟啟動期間的電流和死區(qū)時間的反向傳導(dǎo)損耗，可并聯(lián)一個肖特基二極管。
• RCD鉗位電路設(shè)計：使用RCD鉗位電路限制開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。通過計算確定鉗位電壓、鉗位電阻和鉗位電容的初始值，但實際應(yīng)用中需要通過測試進(jìn)行優(yōu)化。
• 輸出電感和電容選擇：
  • 輸出電感：目標(biāo)紋波電流為40%，根據(jù)公式(L{OUT }=frac{(frac{V{IN _{MAX }}}{N{PS }} - V{OUT } - V{SR}) × D{MIN }}{f{sw } × K{L} × I_{OUT }})計算出輸出電感為0.5μH，實際選擇0.47μH。
  • 輸出電容：通過兩種方法計算輸出電容，分別考慮最大允許電壓偏差和輸出電壓紋波要求。根據(jù)計算結(jié)果，至少需要1.3mF的輸出電容，同時考慮到輻射引起的單事件瞬態(tài)（SET）影響，實際使用約2.3mF的總輸出電容。為了進(jìn)一步降低輸出紋波，可添加一個輸出濾波器，其設(shè)計需要選擇合適的諧振頻率。
• 檢測電阻和打嗝電容選擇：
  • 檢測電阻：設(shè)計要求輸出電流達(dá)到約35A時啟動逐周期限流，根據(jù)公式計算出檢測電阻(R_{CS})為7.73Ω，實際選擇7.5Ω。
  • 打嗝電容：選擇最小推薦值3.3nF的打嗝電容，根據(jù)公式計算出延遲時間約為24.75μs，打嗝時間約為2.31ms。
• 頻率補(bǔ)償和斜率補(bǔ)償：
  • 頻率補(bǔ)償：使用Type 2A補(bǔ)償，根據(jù)目標(biāo)交叉頻率10kHz，通過一系列公式計算出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的元件值。實際選擇(R{COMP})為40.2kΩ，(C{COMP})為15nF，(C_{HF})為47pF。
  • 斜率補(bǔ)償：根據(jù)公式計算出斜率補(bǔ)償值為(0.319V/μs)，然后通過公式計算出電阻值為99.4kΩ，實際選擇102kΩ。

五、布局注意事項

5.1 整體原則

合理的PCB布局對于提高轉(zhuǎn)換器的可靠性和性能至關(guān)重要。首先，要將反饋?zhàn)呔€與功率磁性元件和其他噪聲源保持足夠的距離，避免干擾。例如，盡量不要讓反饋?zhàn)呔€經(jīng)過電感或變壓器下方，如果無法避免，應(yīng)使用接地層進(jìn)行隔離。其次，要減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)的銅面積，以降低寄生電容和開關(guān)損耗，同時要將對噪聲敏感的信號走線遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

5.2 具體布線要求

• 接地處理：要將控制器的模擬地（AVSS）與功率地分開，在PCB布局中通過單點(diǎn)連接。功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極、功率級的輸入電容的返回端和輸出電容的返回端都應(yīng)連接到PCB功率地。
• 高電流走線：高電流走線應(yīng)盡量短、直且寬，一般每安培電流的走線寬度不小于15mils（0.381mm）。
• 電容放置：VIN、REFCAP和VLDO的濾波和旁路電容應(yīng)盡量靠近控制器放置，優(yōu)先選擇低ESR和ESL的表面貼裝陶瓷電容，并盡量減小旁路電容連接、相應(yīng)引腳和AVSS形成的環(huán)路面積。
• 補(bǔ)償元件放置：外部補(bǔ)償元件應(yīng)靠近控制器的COMP引腳放置，建議使用表面貼裝元件。
• 信號隔離：OUTA、OUTB、SRA和SRB等驅(qū)動信號的走線應(yīng)遠(yuǎn)離VSENSE、COMP等噪聲敏感信號的走線，以減少噪聲耦合。對于CS_ILIM引腳的輸入信號，可能需要進(jìn)行RC濾波，并將濾波電阻和電容靠近CS_ILIM放置。

TPS7H500x - SP系列PWM控制器為太空應(yīng)用的DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計提供了強(qiáng)大而靈活的解決方案。通過深入了解其特性、功能和應(yīng)用設(shè)計方法，我們能夠更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，設(shè)計出高性能、可靠的電源系統(tǒng)。大家在實際應(yīng)用中遇到過什么問題或者有什么獨(dú)特的見解，歡迎一起交流探討。