基于TPS40009的小尺寸5A轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)備小型化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)下，設(shè)計(jì)一款體積小、效率高的電源轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們就來(lái)探討基于TI的TPS40009電壓模式同步降壓PWM控制器設(shè)計(jì)的5A降壓轉(zhuǎn)換器，其能在小于一平方英寸的電路板面積內(nèi)，將3.3V電壓轉(zhuǎn)換至1.2V。

文件下載：TPS40009EVM-001.pdf

二、評(píng)估套件重要注意事項(xiàng)

TI提供的這款評(píng)估套件僅用于工程開(kāi)發(fā)或評(píng)估目的，不適合商業(yè)用途。該產(chǎn)品可能在設(shè)計(jì)、營(yíng)銷(xiāo)和制造相關(guān)的保護(hù)方面存在不足，也可能不符合歐盟電磁兼容性指令。若套件不符合用戶(hù)指南中的規(guī)格，可在交付后30天內(nèi)全額退款。用戶(hù)需自行承擔(dān)產(chǎn)品的安全處理責(zé)任，并對(duì)TI因產(chǎn)品使用產(chǎn)生的索賠進(jìn)行賠償。此外，產(chǎn)品可能未通過(guò)相關(guān)認(rèn)證，用戶(hù)要注意靜電放電防護(hù)。

三、動(dòng)態(tài)警告與限制

1. 輸入電壓范圍：必須在0V至5.5V范圍內(nèi)操作，超出范圍可能導(dǎo)致意外操作或不可逆損壞。如有疑問(wèn)，連接輸入電源前應(yīng)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。
2. 負(fù)載范圍：施加超出指定輸出范圍的負(fù)載可能導(dǎo)致意外操作或永久性損壞，連接負(fù)載前需查閱用戶(hù)指南，不確定負(fù)載規(guī)格時(shí)聯(lián)系TI現(xiàn)場(chǎng)代表。
3. 溫度問(wèn)題：正常運(yùn)行時(shí)，部分電路組件外殼溫度可能超過(guò)50°C，但只要保持輸入和輸出范圍，設(shè)備仍能正常工作。操作時(shí)靠近這些組件測(cè)量時(shí)要注意其溫度。

四、轉(zhuǎn)換器特性

1. 輸入電壓 (V_{IN}) 范圍為3.0V至3.6V。
2. 輸出電壓 (V_{OUT}) 為1.2V ± 3%。
3. 輸出電流 (I_{OUT}) 范圍是0A至5A。
4. 負(fù)載為2A時(shí)效率大于90%。
5. 輸出電壓紋波小于2% (V_{OUT})。
6. 物理尺寸小于一平方英寸的電路面積。

五、設(shè)計(jì)流程

1. 控制器選擇

對(duì)于小尺寸應(yīng)用，選擇TPS40009同步降壓控制器，其600kHz的開(kāi)關(guān)頻率可使濾波器組件尺寸最小化。若需優(yōu)化效率的300kHz操作，可選用TPS40007。

2. 電感值選擇

輸出電感值的選擇要使紋波電流適合整體電路功能，計(jì)算公式為 (L=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }}left(1-frac{V{OUT }}{V{IN (max )}}right)) ，這里 (I{RIPPLE}) 取 (I{OUT}) 的25%即1.25A，計(jì)算得到電感值約為1.07μH，實(shí)際選擇常見(jiàn)的1μH。

3. 輸入電容選擇

輸入電容的選擇基于允許的輸入電壓紋波和所需的RMS電流承載能力。對(duì)于該功率水平，輸入電壓紋波150mV較為合理，計(jì)算得出最小電容值為20μF。為滿(mǎn)足要求并降低成本和尺寸，可考慮使用單個(gè)22μF、X5R陶瓷電容，但為保守設(shè)計(jì)，選擇兩個(gè)電容以進(jìn)行電流降額。電容應(yīng)靠近MOSFET封裝，以減少高頻電流環(huán)路，降低設(shè)備VDD電源的噪聲。

4. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇需考慮功能、成本、尺寸和可用性等多種因素。最小允許輸出電容由電感紋波電流和允許的輸出紋波決定，計(jì)算公式為 (C{OUT (min )}=frac{I{RIPPLE }}{8 × f × V{RIPPLE }}) ，這里 (C{OUT (min )}) 為22μF。同時(shí)，還需考慮電容ESR對(duì)紋波電壓的影響， (ESR{Cout } leq frac{V{RIPPLE }}{I_{RIPPLE }}) 。為保證緊湊性和瞬態(tài)響應(yīng)能力，選用兩個(gè)22μF陶瓷電容并聯(lián)。

5. MOSFET選擇

由于設(shè)計(jì)尺寸小，選用單個(gè)SO - 8封裝的雙N溝道MOSFET，其 (R_{DS(on)}) 為18mΩ，可在滿(mǎn)載時(shí)將傳導(dǎo)損耗控制在可接受范圍內(nèi)。

6. 短路保護(hù)

TPS40009通過(guò)比較頂部MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電壓與VDD經(jīng) (R{LIM}) 降壓后的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。 (R{LIM}) 的計(jì)算公式為 (R{LIM}=frac{2.5 × I{OUT } × 0.018 Omega}{15 mu A}) ，本設(shè)計(jì)中 (R_{LIM}=15kΩ) ，2.5的系數(shù)考慮了溫度和輸出電流紋波引起的組件公差變化。

7. 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

TPS40009采用電壓模式控制和高頻誤差放大器。為實(shí)現(xiàn)最快的瞬態(tài)響應(yīng)，將環(huán)路交叉頻率設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的1/10，即60kHz。功率電路L - C雙極點(diǎn)轉(zhuǎn)角頻率 (f{C}) 為24kHz，輸出電容ESR零點(diǎn)約為1MHz。反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提供兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)，第一個(gè)極點(diǎn)位于原點(diǎn)以改善直流調(diào)節(jié)，第一個(gè)零點(diǎn)位于約2/3 (f{C}) 即18kHz，第二個(gè)零點(diǎn)位于 (f_{C}) ，兩個(gè)極點(diǎn)位于約300kHz（開(kāi)關(guān)頻率的一半）。

8. 緩沖組件選擇

Q1和L1連接的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲較大，在該節(jié)點(diǎn)與地之間添加R - C網(wǎng)絡(luò)可減少Q(mào)1的振鈴和電壓過(guò)沖。緩沖電容C9一般選擇為節(jié)點(diǎn)寄生電容的5至8倍，這里C9選擇3.3nF，R3經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定為2.2Ω，可最小化開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴和過(guò)沖，低輸入電壓下功率損耗較小。

六、PowerPAD? 封裝

TPS4000X系列采用TI的PowerPAD? 熱增強(qiáng)封裝。該封裝使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂將集成電路芯片連接到引線框架管芯焊盤(pán)，焊盤(pán)暴露在封裝底部。根據(jù)散熱需求，可將引線框架管芯焊盤(pán)焊接到PCB上。為有效散熱，無(wú)論是否焊接，封裝下方都應(yīng)設(shè)置熱焊盤(pán)，并通過(guò)過(guò)孔將熱量傳遞到內(nèi)部銅層或PCB另一側(cè)。過(guò)孔不應(yīng)有熱隔離，且尺寸要小，以防止焊料流失。

七、測(cè)試結(jié)果與性能數(shù)據(jù)

1. 效率曲線：輸入電壓為3.3V時(shí)，典型效率曲線顯示了轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載下的效率表現(xiàn)。
2. 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形：滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)波形顯示底部MOSFET的體二極管導(dǎo)通極小，這得益于預(yù)測(cè)延遲控制技術(shù)，該技術(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的延遲。
3. 短路操作：輸出短路時(shí)，每次重啟后脈沖會(huì)終止約6ms，使輸入功率降至極低水平，保護(hù)電路。
4. 輸出電壓紋波：輸出電壓紋波約為24mV限制的一半。
5. 啟動(dòng)波形：輸入電壓3.3V、負(fù)載0.3Ω時(shí)，輸出在VSS（引腳4）高于0.12V前保持低電平，然后在閉環(huán)軟啟動(dòng)控制下平穩(wěn)上升。
6. 瞬態(tài)響應(yīng)：負(fù)載從1A快速階躍到2A時(shí)，轉(zhuǎn)換器能快速響應(yīng)，保持輸出電壓穩(wěn)定。

八、PCB布局

文中給出了HPA069的頂層銅層、底層銅層和頂層組裝層的PCB布局圖，合理的PCB布局對(duì)于降低噪聲、提高性能至關(guān)重要。

九、材料清單

詳細(xì)列出了設(shè)計(jì)中使用的組件，包括電容、電感、MOSFET、電阻、測(cè)試點(diǎn)等，通過(guò)對(duì)組件的微調(diào)，該設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足廣泛的應(yīng)用需求。

你在設(shè)計(jì)類(lèi)似的電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，是否也遇到過(guò)這些組件選擇和布局的問(wèn)題呢？不妨在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。