解鎖 TPS65131-Q1 正負(fù)壓輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)全解析

在電源管理領(lǐng)域，一款性能卓越的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器對于電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的 TPS65131-Q1 正負(fù)壓輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特之處以及如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用。

文件下載：tps65131-q1.pdf

一、特性亮點(diǎn)

汽車級應(yīng)用資質(zhì)

TPS65131-Q1 通過了 AEC-Q100 測試，這可是汽車級應(yīng)用的黃金標(biāo)準(zhǔn)。它的器件溫度等級為 2，能在 -40°C 至 105°C 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，而其電氣特性更是在 -40°C 至 125°C 的結(jié)溫范圍內(nèi)經(jīng)過了嚴(yán)格測試。此外，它在 HBM ESD 分類中達(dá)到了 H1C 級，CDM ESD 分類達(dá)到了 C4B 級，這意味著它具有出色的靜電防護(hù)能力，能有效應(yīng)對復(fù)雜的汽車電磁環(huán)境。

雙可調(diào)輸出電壓

這款轉(zhuǎn)換器能夠提供高達(dá) 15V 的正輸出電壓和低至 -15V 的負(fù)輸出電壓，而且輸出電壓是可調(diào)的，這為不同的應(yīng)用場景提供了極大的靈活性。同時(shí)，它的升壓和逆變主開關(guān)典型開關(guān)電流限制為 2A，能夠滿足大多數(shù)中小功率應(yīng)用的需求。

高效轉(zhuǎn)換

在轉(zhuǎn)換效率方面，TPS65131-Q1 表現(xiàn)十分出色。正輸出軌的效率最高可達(dá) 91%，負(fù)輸出軌的效率最高可達(dá) 85%。而且，它還具備功率節(jié)省模式，在輕負(fù)載時(shí)能進(jìn)一步降低功耗，提高能源利用率。

靈活控制與保護(hù)功能

它擁有獨(dú)立的使能輸入，可實(shí)現(xiàn)上電和下電的時(shí)序控制，方便系統(tǒng)進(jìn)行電源管理。同時(shí)，它還提供了控制輸出，可用于外部 PFET，在關(guān)機(jī)時(shí)能完全斷開電源，確保系統(tǒng)安全。此外，它還具備熱關(guān)斷、過壓保護(hù)等功能，能有效保護(hù)器件和后端電路，提高系統(tǒng)的可靠性。

寬輸入電壓范圍與小封裝

其輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.5V，能兼容多種電源供電，如常見的 3.3V 和 5V 電源軌。而且，它采用了 4mm × 4mm 的小型 QFN-24 封裝（RGE），具有可焊側(cè)翼，不僅節(jié)省了 PCB 空間，還便于焊接和組裝。

二、應(yīng)用場景

TPS65131-Q1 適用于多種應(yīng)用場景，特別是中小尺寸的 OLED 顯示屏、TFT LCD 以及 CCD 偏置電源等。在這些應(yīng)用中，它的雙輸出電壓和高效轉(zhuǎn)換特性能夠?yàn)轱@示設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，確保圖像質(zhì)量和顯示效果。

三、詳細(xì)解析

工作原理

TPS65131-Q1 是一款雙輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它包含一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)逆變轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器相互獨(dú)立工作，但共享一個(gè)時(shí)鐘和一個(gè)電壓參考。它采用固定頻率的脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)器來分別控制兩個(gè)輸出，在一般情況下，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。為了提高輕載時(shí)的效率，轉(zhuǎn)換器還可以工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。當(dāng)啟用功率節(jié)省模式時(shí)，轉(zhuǎn)換器會根據(jù)負(fù)載電流自動(dòng)在 CCM 和 DCM 之間切換。

引腳功能

關(guān)鍵特性功能

功率轉(zhuǎn)換

兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都采用固定頻率的 PWM 控制方案，內(nèi)部開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間會根據(jù)輸入到輸出的電壓比和負(fù)載情況而變化。在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，連接到轉(zhuǎn)換器的電感器會充電，在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，電感器會通過整流二極管向輸出電容器放電。在輕負(fù)載時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器會使用一個(gè)額外的內(nèi)部開關(guān)來避免電感器電流不連續(xù)，而逆變轉(zhuǎn)換器的電感器電流可能會不連續(xù)，但控制電路會自動(dòng)調(diào)整以確保最佳控制。

控制

轉(zhuǎn)換器的控制電路采用固定頻率的多前饋控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它會監(jiān)測輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)兩端的電壓降。通過自學(xué)習(xí)控制來糾正前饋系統(tǒng)中的測量誤差，并使用外部電容器來抑制輸出，避免輸出電壓出現(xiàn)階躍。電壓環(huán)由誤差放大器決定，其輸入是 FBP 和 FBN 引腳上的反饋電壓，通過與內(nèi)部參考電壓比較來生成準(zhǔn)確穩(wěn)定的輸出電壓。

輸出使能與禁用

兩個(gè)轉(zhuǎn)換器可以單獨(dú)啟用或禁用。將使能引腳（ENP 用于升壓轉(zhuǎn)換器，ENN 用于逆變轉(zhuǎn)換器）置為高電平可以啟用相應(yīng)的輸出，置為低電平則會關(guān)閉相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器。當(dāng)兩個(gè)使能引腳都為低電平時(shí)，器件進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，所有內(nèi)部電路關(guān)閉，此時(shí)器件僅消耗流入 VIN 引腳的關(guān)機(jī)電流。

負(fù)載斷開

該器件支持在轉(zhuǎn)換器禁用時(shí)完全斷開負(fù)載。對于逆變轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部 PMOS 開關(guān)會關(guān)閉，避免電池或電源放電。對于升壓轉(zhuǎn)換器，由于存在外部整流二極管和升壓電感器形成的直流電流路徑，可能會導(dǎo)致電池或電源放電。因此，器件提供了一個(gè) PMOS 柵極控制輸出（BSW），用于控制一個(gè)外部 PMOS 開關(guān)，在升壓轉(zhuǎn)換器禁用時(shí)斷開該電流路徑。

軟啟動(dòng)

兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)功能。當(dāng)轉(zhuǎn)換器啟用時(shí)，開關(guān)電流限制會在大約 1ms 內(nèi)緩慢上升到其標(biāo)稱編程值，這樣可以限制啟動(dòng)時(shí)的輸入電流，避免峰值輸入電流過高對其他系統(tǒng)造成干擾。

過壓保護(hù)與欠壓鎖定

兩個(gè)內(nèi)置轉(zhuǎn)換器都具有獨(dú)立的過壓保護(hù)功能。當(dāng)反饋電壓在正常運(yùn)行時(shí)超過標(biāo)稱值約 5% 時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器會立即關(guān)閉，以保護(hù)連接的電路。同時(shí)，欠壓鎖定功能會防止器件在 VIN 引腳的電源電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)啟動(dòng)和運(yùn)行，當(dāng)電壓低于閾值時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器會自動(dòng)關(guān)閉，但部分控制電路仍保持活動(dòng)狀態(tài)。

過溫關(guān)斷

器件內(nèi)部的溫度傳感器會實(shí)時(shí)監(jiān)測芯片溫度，當(dāng)溫度超過熱關(guān)斷溫度時(shí)，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器會自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)芯片溫度下降到閾值加上滯后閾值以下時(shí)，器件會自動(dòng)恢復(fù)工作。這種內(nèi)置的滯后功能可以避免因關(guān)斷和啟動(dòng)引起的振蕩，確保器件在接近過熱關(guān)斷閾值時(shí)不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的運(yùn)行情況。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輸出電壓編程

要設(shè)置 TPS65131-Q1 升壓轉(zhuǎn)換器和逆變轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，需要使用外部電阻分壓器。對于升壓轉(zhuǎn)換器，將分壓器連接到 FBP 引腳，通過公式 (R1 = R2 × (frac{V{POS}}{V{ref}} - 1)) 可以計(jì)算出電阻 R1 的值，從而設(shè)置所需的正輸出電壓 (V{POS})。對于逆變轉(zhuǎn)換器，將分壓器連接到 FBN 引腳，參考點(diǎn)為 (V{ref})，通過公式 (R3 = -R4 × (frac{V{NEG}}{V{ref}})) 計(jì)算電阻 R3 的值，以設(shè)置負(fù)輸出電壓 (V_{NEG})。為了保證輸出電壓的準(zhǔn)確性，反饋分壓器的電流應(yīng)設(shè)置在 5μA 或更高。

電感選擇

電感是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵元件之一。選擇電感時(shí)，需要考慮兩個(gè)主要參數(shù)：一是要確保電感的峰值電流低于功率開關(guān)的電流限制閾值，可通過公式 (I{(L - P)} = frac{V{POS}}{V{I} × 0.64} × I{POS}) 和 (I{(L - N)} = frac{V{I} - V{NEG}}{V{I} × 0.64} × I{NEG}) 分別估算升壓轉(zhuǎn)換器和逆變轉(zhuǎn)換器的電感峰值電流；二是要考慮電感的電流紋波，一般建議將紋波控制在平均電感電流的 20% 以內(nèi)，以減少電感損耗、輸出電壓紋波和電磁干擾（EMI）。根據(jù)電流紋波可以使用公式 (L1 = frac{V{I} × (V{POS} - V{I})}{Delta I{(L - P)} × f × V{POS}}) 和 (L2 = frac{V{I} × V{NEG}}{Delta I{(L - N)} × f × (V{NEG} - V_{I})}) 計(jì)算出合適的電感值。在典型應(yīng)用中，推薦選擇 4.7μH 的電感，該器件在 3.3μH 至 6.8μH 的電感值范圍內(nèi)性能最佳。

電容選擇

輸入電容

為了改善調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)和整個(gè)電源電路的 EMI 特性，建議在升壓轉(zhuǎn)換器和逆變轉(zhuǎn)換器的輸入引腳分別選擇至少 4.7μF 的輸入電容?？梢赃x擇陶瓷電容或鉭電容，如果使用鉭電容，還需要并聯(lián)一個(gè) 100nF 的小陶瓷電容。同時(shí)，要將輸入電容盡可能靠近輸入引腳放置。

輸出電容

輸出電容的選擇主要取決于轉(zhuǎn)換器允許的最大輸出電壓紋波。可以通過公式 (C4min = frac{I{POS} × (V{POS} - V{I})}{f × Delta V{POS} × V{POS}}) 和 (C5min = frac{I{NEG} × V{NEG}}{f × Delta V{NEG} × (V{NEG} - V{I})}) 計(jì)算出滿足紋波要求的最小電容值。需要注意的是，實(shí)際的總紋波還會受到電容等效串聯(lián)電阻（ESR）的影響，可以通過公式 (Delta V{(ESR - P)} = I{POS} × R{(ESR - C4)}) 和 (Delta V{(ESR - N)} = I{NEG} × R{(ESR - C5)}) 計(jì)算 ESR 引起的額外紋波。在輕負(fù)載時(shí)，負(fù)載瞬變可能會導(dǎo)致額外的紋波，因此建議選擇較大的電容值。

其他元件選擇

整流二極管

升壓轉(zhuǎn)換器和逆變轉(zhuǎn)換器都需要整流二極管，為了減少損耗，建議使用肖特基二極管。選擇二極管時(shí)，其正向電流額定值應(yīng)等于最大輸出電流，同時(shí)要考慮不同輸出電壓下的最大電流可能不同。

外部 P-MOSFET

在關(guān)機(jī)時(shí)，為了完全斷開正輸出 (V{POS}) 與電源的連接，可以添加一個(gè)外部 P-MOSFET。由 BSW 引腳控制該 P-MOSFET 的柵極。選擇 P-MOSFET 時(shí)，其 (V{GS}) 和 (V_{GD}) 電壓額定值應(yīng)覆蓋輸入電壓范圍，漏極電流額定值應(yīng)不低于流入應(yīng)用的最大輸入電流，并且要滿足 P-MOSFET 的工作區(qū)域條件。如果不需要使用外部 P-MOSFET，可以將 BSW 引腳浮空。

穩(wěn)定控制環(huán)路

前饋電容

為了加快控制環(huán)路的響應(yīng)速度，建議在反饋分壓器中與 R1（升壓轉(zhuǎn)換器）和 R3（逆變轉(zhuǎn)換器）并聯(lián)前饋電容?？梢酝ㄟ^公式 (C9 = frac{6.8 mu s}{R1}) 和 (C10 = frac{7.5 mu s}{R3}) 計(jì)算合適的電容值。為了避免前饋電容將噪聲耦合到控制環(huán)路中，可以串聯(lián)一個(gè)電阻來限制前饋效果的帶寬，電阻值在 10kΩ 至 100kΩ 之間為宜。

補(bǔ)償電容

該器件的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都采用了完全內(nèi)部補(bǔ)償?shù)目刂骗h(huán)路，但內(nèi)部前饋系統(tǒng)需要外部電容進(jìn)行誤差校正。建議在升壓轉(zhuǎn)換器的 CP 引腳使用 10nF 的電容，在逆變轉(zhuǎn)換器的 CN 引腳使用 4.7nF 的電容。

模擬電源輸入濾波

為了確保 IC 獲得無噪聲的電源供應(yīng)，建議在 IIN 和 VIN 引腳之間添加一個(gè) RC 或 LC 濾波器。對于大多數(shù)應(yīng)用，可以使用電阻值至少為 100Ω、電容值為 0.1μF 的 RC 濾波器。對于輸入電壓上升沿較快（上升速率 ≥275 mV /μs）的應(yīng)用，建議使用鐵氧體磁珠代替電阻 R7，以減少 IIN 和 VIN 信號之間的延遲。選擇鐵氧體磁珠時(shí)，應(yīng)選擇直流電阻（DCR）盡可能低且具有合適電流額定值的產(chǎn)品，例如 BLM18KG101TN1。

布局注意事項(xiàng)

布局對于開關(guān)電源的性能至關(guān)重要。在設(shè)計(jì) PCB 布局時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

• 使用寬而短的走線作為主要電流路徑和功率接地軌道，以減少寄生電感。
• 將輸入電容、輸出電容、電感器和整流二極管盡可能靠近 IC 放置，以降低寄生電感和電磁干擾。
• 使用寬的 PGND 平面，將模擬接地引腳（AGND）連接到 PGND 平面，并將 PGND 平面與暴露的散熱墊連接。
• 將反饋分壓器盡可能靠近 IC 的控制引腳（升壓轉(zhuǎn)換器）或 VREF 引腳（逆變轉(zhuǎn)換器）放置。

五、總結(jié)

TPS65131-Q1 正負(fù)壓輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的應(yīng)用，成為了汽車和工業(yè)領(lǐng)域中中小功率電源管理的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部元件，優(yōu)化 PCB 布局，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師們更好地理解和應(yīng)用 TPS65131-Q1 轉(zhuǎn)換器，在實(shí)際設(shè)計(jì)中取得更好的效果。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。