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(guò)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(guò)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(guò)外接電容來(lái)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(guò)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(jiǎn)單，并可采用軟件方法(如ti公司的swiftdesigner)來(lái)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(shuō)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(duì)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(duì)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(lái)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(guò)300mv。

(3)輸出濾波元件的選擇　　

輸出濾波電路由輸出電感l(wèi)1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(duì)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。