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TPS54610 |
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基于TPS54610的同步降壓DC／DC電源設計
1引言
流的MOSFET開關管，可輸出6A電流，輸出電壓從0.9V到3.3V可調，精確率可達1％，脈寬調制頻率既可固定在350kHz或550kHz，也可以在280kHz到700kHz之間調整；另外，它還具有限流電路、低壓閉鎖電路和過熱關斷電路。
TPS54610集成化的設計減少了元件數量和體積。因此，可廣泛用于低電壓輸入高電流輸出的分散電源系統(如DSP、FPGA、A－SIC、微處理器電源，寬帶網絡和光纖通訊以及便攜式筆記本電腦的電源系統)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腳間應接頻率補償電路。
PGND(15～19腳):電源地，使用時應與AGND單點連接。
PH(6～14腳):相輸出，功率MOSFET高低端與輸出電感的連接點。
PWRGD(4腳):"電源好"輸出，當VSENSE端的電壓高于Vref的90％時，輸出為高；否則為低。注意:當SS／ENA引腳為低或內部SHUTDOWN有效時，該引腳始終為低。
RT(28腳):頻率設置電阻輸入，在RT和AGND間連接一個電阻可以設置開關頻率，當使用SYNC端時，通過RT設置的頻率應稍低于外部振蕩器的頻率。
SS／ENA(26腳):軟啟動／輸入輸出使能端，可提供控制器允許工作邏輯，該腳的另一個功能是通過外接電容來設置軟啟動時間。
SYNC(27腳):同步輸入，可提供外部振蕩器同步邏輯信號，此時要求RT引腳必須連接一個電阻，在內部振蕩時用于開關頻率的切換。
VBIAS(25腳):內部偏壓調節(jié)，與AGND引腳間應接一個0.1μF～1μF的陶瓷電容。
VIN(20～24腳):電源輸入，與PGND間應連接10μF的陶瓷電容。VSENSE(2腳):誤差電壓放大器反向輸入，可通過補償和分壓電路與輸出端相連。
3電路設計
3.1內部補償和外部補償
內部補償和外部補償是TI公司電源控制芯片采用的兩種不同的電路形式。采用內部補償的控制器力求減少外部元件的數量和印制板的尺寸，因此電路簡單，并可采用軟件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)來設計。但內部補償控制器存在兩個缺點，第一是內部補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；另一個缺點是內部補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、輸出電容和電感利用率和費用的要求，不允許采用內部補償方式。在這種情況下，外部補償芯片TPS54610便能提供更好的解決方案。下面介紹的就是基于TPS54610外部補償結構的電路構成及設計方法。
3.2電路設計步驟
圖2所示是以TPS54610為核心的外部補償降壓變換電路�，F以該電路為例說明其設計方法。
(1)開關頻率的選擇
當SYNC引腳接地時，開關頻率為350kHz，當SYNC接輸入電源電壓時，開關頻率為550kHz。為了獲得可以調整的開關頻率，可在RT引腳和地之間接一個外部電阻R1以使其頻率可以在280～700kHz之間進行調整。開關頻率與R1的對應關系如圖3所示，這種情況下，SYNC應斷開。從圖中可以看出，100kΩ對應的開關頻率為500kHz，其實際誤差在±8％以內。
(2)輸入電容的選擇
輸入解耦電容C2可用來減少高頻噪聲，設計時可選擇1μF～10μF的陶瓷電容，并應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濾波，可不設置該電容。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300mV。
(3)輸出濾波元件的選擇
輸出濾波電路由輸出電感L1和輸出電容COUT(圖2中C8、C9、C10)組成。和內部補償控制器相比，TPS54610對這兩個元件的選擇通常限制不大。
(4)補償元件的選擇
反饋補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。 先應考慮的是補償誤差放大次，補償誤差放大器應將到100mV左右，另外，電路總的回路串擾頻率應小于開關頻率的1／8，同時相角裕量至少應為45°。
通過圖2中補償元件的參數設計可將總的回路響應串擾頻率范圍限制在10～0kHz，相位裕量范圍設定在0～90°之間。圖中各電阻的偏差應小于1％，電容偏差應小于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）軟啟動時間的選擇
TPS54610內部含有軟啟動電路，可用來控制啟動時輸出電壓的上升時間，內部慢啟動時間設置為3.6ms。另外，通過在SS／ENA引腳連接軟啟動電容C3可使其輸出電壓的上升時間超過內部設置值，軟啟動電容的選擇可由下式得到： Css＝5 tss／0.891式中，tss為軟啟動時間。
軟啟動一般從輸入電壓超過3V的啟動閾值電壓開始，之后，如果使用內部軟啟動電路，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電容，輸出電壓將經過固定的延時tDELAY后開始上升，tDELAY取決于軟啟動電容的取值，它可由下式計算： tDELAY＝1.2 CSS／5μF
采用上述參數設計的圖2電路的輸出電壓為1.8V，輸出電流可達6A，開關頻率為680kHz。電路中的輸出濾波電容由C8、C9、C10共同組成。
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