基于TPS40057的BUCK變換器

摘要：TPS40057屬于TI的TPS4005x系列，是一種高壓、寬輸入范圍的同步整流型降壓轉(zhuǎn)換器，它為用戶提供了多種可設(shè)計(jì)功能，廣泛應(yīng)用于模塊電源和工業(yè)控制等領(lǐng)域。本文主要介紹了芯片的頻率調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)、電壓前饋、主功率管電流限制和環(huán)路補(bǔ)償?shù)裙δ埽⒃O(shè)計(jì)了基于TPS40057的同步BUCK變換器，通過(guò)matlab-simulink閉環(huán)仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

TPS40057為用戶提供了多種可設(shè)計(jì)功能，包括軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、頻率調(diào)節(jié)、電壓前饋、主功率管電流限制和環(huán)路補(bǔ)償?shù)?。它運(yùn)用了電壓前饋控制技術(shù)使其在整個(gè)寬輸入電壓范圍內(nèi)擁有很好的線性調(diào)整率，從而使系統(tǒng)快速響應(yīng)輸入電壓的瞬態(tài)變化。調(diào)整器增益基本為常數(shù)，不隨輸入電壓的變化而改變，大大簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。外部可編程電流門限可提供逐脈沖限流，芯片還帶有利用內(nèi)置計(jì)數(shù)器控制的打嗝模式，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載狀態(tài)時(shí)可以有效保護(hù)電路。諸多優(yōu)點(diǎn)使其在功率模塊，網(wǎng)絡(luò)通信，工業(yè)以及服務(wù)器等多種領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1 芯片管腳功能介紹

TPS4005X的主要特點(diǎn)可概括為：8～40 V寬輸入范圍;輸入電壓前饋補(bǔ)償;內(nèi)部7 V基準(zhǔn)電壓可1%微調(diào);固定頻率可設(shè)計(jì)至1 MHz的電壓環(huán)控制器;內(nèi)置主功率管及同步整流管的柵極驅(qū)動(dòng);外同步功能;過(guò)溫保護(hù);可編程主功率管電流門限;用戶可設(shè)計(jì)閉環(huán)軟啟動(dòng);帶有輸出預(yù)偏置的電流源和電流宿(current sink)。芯片詳細(xì)內(nèi)部框圖在參考文獻(xiàn)中給出，在此主要介紹各引腳：

BOOST：高側(cè)N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。BOOST的電壓比SW腳的電壓高9 V。須在本管腳與同步整流MOSFET的漏極之間加-0.1μF的陶瓷電容。

BP5：5 V參考電壓。此管腳必須使用-0. 1 μF的陶瓷電容旁路到地。也可為外部直流負(fù)載提供小于等于1 mA的電流。

BP10：10 V參考電壓，用于驅(qū)動(dòng)N溝道同步整流管。須加-1 μF的陶瓷電容旁路。可為外部直流負(fù)載提供小于等于1mA的電流。

COMP：誤差放大器的輸出，PWM比較器的輸入。反饋網(wǎng)絡(luò)便是接在本管腳和VFB管腳間提供整體回路的補(bǔ)償。COMP管腳具有內(nèi)部箝位功能，將電壓箝至高于三角波的峰值，這可以改善大信號(hào)暫態(tài)響應(yīng)。

HDRV：用來(lái)驅(qū)動(dòng)主功率管。MOSFET導(dǎo)通時(shí)，本管腳電壓為BOOST腳電壓，MOSFET截止時(shí)，為SW腳電壓。

ILIM：限流管腳，用于設(shè)置過(guò)流保護(hù)閥值。

KFF：用于決定電壓前饋量的大小和欠壓鎖定門限。反饋進(jìn)入本管腳的電流經(jīng)過(guò)內(nèi)部分流，并用于控制PWM三角波的斜率。

LDRV：N溝道同步整流管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。MOSFET導(dǎo)通時(shí)，本管腳為BP10腳電壓，MOSFET截止時(shí)，電壓為地。

PGND：芯片電源地參考電位。本管腳與低側(cè)MOSFET源極間的路徑必須呈低阻抗。

RT：設(shè)定內(nèi)部振蕩器的頻率以及切換頻率。

SGND：芯片信號(hào)地參考電位。

SS/SD：軟啟動(dòng)管腳。

SW：本管腳連接到變換器的切換節(jié)點(diǎn)(即主管與同步整流管連接點(diǎn))并用于檢測(cè)過(guò)流。

SYNC：外同步信號(hào)輸入管腳。用于將振蕩器與外部主頻率進(jìn)行同步。

VFB：誤差放大器的反相輸入端。在正常操作時(shí)，其電壓應(yīng)等于內(nèi)部參考電壓，即0.7 V。

VIN：芯片供電引腳。

2 TPS40057參數(shù)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的整體拓?fù)渲饕譃楹诵碾娐?、輔助電路、保護(hù)電路3部分。核心電路是指實(shí)現(xiàn)反饋控制，生成PWM控制信號(hào)的電路，包括振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、輸出單元。輸出的PWM信號(hào)的形成還受到輔助電路的影響，主要包括軟啟動(dòng)和振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)。保護(hù)電路包括欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)以及關(guān)斷單元等。

2.1 性能指標(biāo)

輸入電壓：9 V

輸出電壓：5 V±2%

輸出電流：2A(穩(wěn)態(tài)最大輸出)

輸出電壓紋波：50 mVPP(帶寬20 MHz)

負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)：小于等于200 mV(空載突變至滿載或滿載突變至空載)

動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間：200 μs

開(kāi)關(guān)頻率：300 kHz

2.2 振蕩器

TPS40057擁有獨(dú)立的時(shí)鐘振蕩器和三角波生成電路，時(shí)鐘振蕩器作為三角波生成電路的主時(shí)鐘。開(kāi)關(guān)頻率fSW通過(guò)2腳對(duì)地接電阻RT實(shí)現(xiàn)，RT可由下式計(jì)算得到：

若芯片無(wú)需外同步，則SYNC腳直接拉低即可。本設(shè)計(jì)中外部時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)SYNC端接入信號(hào)fSYNC的下降沿來(lái)同步芯片時(shí)鐘信號(hào)，外同步頻率應(yīng)當(dāng)高于fSW的20%左右。

三角波發(fā)生器的三角波上升斜率隨輸入電壓線性變化，為PWM比較器提供電壓前饋控制，對(duì)線性變化做出良好的響應(yīng)，因此PWM能根據(jù)輸入電壓變化直接改變?nèi)遣ㄉ仙剩瑥亩淖冋伎毡?，而不必等到輸出電壓?jīng)環(huán)路反饋后再變，減少整個(gè)響應(yīng)延遲時(shí)間。PWM三角波每個(gè)波頭的持續(xù)時(shí)間由上拉到VIN的電阻RKEF實(shí)現(xiàn)，RKEF值可由以下公式得出：

RKEF=(VIN(MIN)-VKEF)x(58.14xRT(dummy+1 340)Ω (2)

當(dāng)fSYNC為300 kHz時(shí)，fSW取250 kHz，則RT=實(shí)際取200 kΩ。若外同步信號(hào)脈沖打斷了三角波，會(huì)引起欠壓保護(hù)生效，導(dǎo)致PWM輸出被關(guān)閉。為了正確計(jì)算外同步頻率下RKEF，這里引入一個(gè)假設(shè)的值RT(dummy)，RT(dummy)取170 kΩ，RKEF取值60.5 kΩ。

2.3 軟啟動(dòng)

TPS40057利用閉環(huán)軟啟動(dòng)功能確保輸出電壓在啟動(dòng)過(guò)程中的上升率可控。軟啟動(dòng)引腳SS/SD與地之間須接電容CSS/SD用于設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。內(nèi)部2.3 μA的電流源對(duì)CSS/SD充電，在軟啟動(dòng)引腳形成逐漸上升的電壓VSS/SD，當(dāng)VSS/SD小于125 mV時(shí)，芯片控制器定義為關(guān)機(jī)狀態(tài)，所有的內(nèi)部電路都被禁止使能;當(dāng)VSS/SD大于210 mV時(shí)，芯片內(nèi)部電路開(kāi)始工作;當(dāng)VSS/SD大于210 mV小于0.85 V時(shí)，內(nèi)部電路被使能，但輸出電壓仍會(huì)下降;當(dāng)VSS/SD大于0.85 V時(shí)，芯片輸出驅(qū)動(dòng)，輸出電壓開(kāi)始上升;當(dāng)VSS/SD升高至1.55 V時(shí)，芯片輸出電壓繼續(xù)上升到達(dá)穩(wěn)態(tài)。VSS/SD減去0.85 V后即為有效軟啟動(dòng)參考電壓VSSRMP，誤差放大器的同相輸入端接VSSRMP，另一同相輸入端接0.7 V參考電壓VFR，VSSRMP與VFB中較低者作為用于調(diào)節(jié)VFB的主導(dǎo)電壓，為系統(tǒng)提供精確的閉環(huán)軟啟動(dòng)參考。為了合理控制輸出電壓的上升趨勢(shì)，軟啟動(dòng)時(shí)間tSTART必須遠(yuǎn)大于輸出濾波電感L和濾波電容C0的時(shí)間常數(shù)：tSTART>>2πx

。這里tSTART取1.5 ms。軟啟動(dòng)電容值可由以下公式得出：

其中ISS/SD為軟啟動(dòng)充電電流，一般為2.35 μA，則CSS/SD選取4.7 nF。

2.4 過(guò)流保護(hù)

電流保護(hù)引腳ILIM用于設(shè)置過(guò)流保護(hù)閥值，通常接一電阻RILIM到VCC，內(nèi)置對(duì)地電流宿在RILIM上產(chǎn)生一定的壓降，此壓降與主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的漏源極壓降做比較，后級(jí)誤差計(jì)數(shù)器對(duì)過(guò)流情況進(jìn)行響應(yīng)。TPS40057具有雙重過(guò)流保護(hù)功能，第一重保護(hù)力逐脈沖保護(hù)方案，通過(guò)檢測(cè)主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)漏源極壓差來(lái)限制主管上電流。如果主管漏源極壓差超過(guò)RILIM兩端電壓差，功率管驅(qū)動(dòng)立刻被關(guān)閉，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期到來(lái)前都無(wú)驅(qū)動(dòng)輸出。第二重保護(hù)包含一個(gè)基于脈沖的誤差計(jì)數(shù)器，過(guò)流時(shí)計(jì)數(shù)器加一，不過(guò)流時(shí)減一，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值達(dá)到7時(shí)，芯片進(jìn)行重啟，同時(shí)經(jīng)歷7個(gè)軟啟動(dòng)周期對(duì)其進(jìn)行初始化。此間主開(kāi)關(guān)管和同步整流管都關(guān)斷。每經(jīng)歷一個(gè)軟啟動(dòng)周期計(jì)數(shù)器就減一，當(dāng)減至0時(shí)，PWM比較器重新被使能，輸出電壓正常開(kāi)啟。如果計(jì)數(shù)器仍然數(shù)到7個(gè)過(guò)流脈沖，芯片又進(jìn)入第二重保護(hù)模式。限流點(diǎn)ILIM可由下式得到

其中，ISINK為電流宿電流，最小為8.5μA，IOC為過(guò)流點(diǎn)，通常為輸出電流與二分之一電感電流峰值之和。VOS為過(guò)流比較器偏置電壓，最大為-20 mV。本設(shè)計(jì)中，ILIM加上二分之一電感電流峰值，并增加30%的容差，即為預(yù)期的過(guò)流保護(hù)點(diǎn)IOC(4.7 A)?？紤]到MOSFET的發(fā)熱，RDS(on)也取增加30%的容差，即0.017 Ω。因此RILIM取值14 kΩ。

2.5 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

電壓模式控制的BUCK變換器通常采用Ⅲ型雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)零點(diǎn)可以補(bǔ)償由輸出濾波電路產(chǎn)生的極點(diǎn)引起的相位滯后;兩個(gè)極點(diǎn)用來(lái)抵消輸出電容ESR引起的零點(diǎn)，第二極點(diǎn)用來(lái)保證開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)有一個(gè)較好的相位裕量和增益裕量，同時(shí)在高頻段幅頻特性的下降斜率為-40 db/dec，對(duì)高頻干擾有良好的抑制作用。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)與RC參數(shù)的關(guān)系為：

這里取R1=10 kΩ，R2=2 kΩ，R3=510 Ω，C1=330μF，C2=22 nF，C3=4.7 nF，RBIAS=1.5 kΩ。根據(jù)各參數(shù)不難得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，運(yùn)用matlab-simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)波特圖，如圖2所示。圖3和圖4分別為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的階躍響應(yīng)曲線，可見(jiàn)閉環(huán)后系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量顯著減小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)BUCK變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖5為輸出電壓建立過(guò)程，可以看出軟啟動(dòng)時(shí)間控制在1.5 ms。圖6為負(fù)載在滿載2 A和空載狀態(tài)切換時(shí)，輸出電壓紋波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可見(jiàn)輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，紋波峰峰值為50 mV，負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓變化量在150～200 mV范圍內(nèi)。圖7和圖8分別為負(fù)載突卸和突加瞬間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，可見(jiàn)輸出電壓動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間為200μs，符合預(yù)期性能指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中主要對(duì)TPS40057的功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并給出了芯片外圍電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，著重對(duì)補(bǔ)償環(huán)路的參數(shù)進(jìn)行了仿真，最后搭建了基于TPS40057的BUCK變換器并進(jìn)行穩(wěn)測(cè)試，從實(shí)際應(yīng)用的角度驗(yàn)證了芯片功能和設(shè)計(jì)的可行性。