基于TPS40001的10A輸出轉(zhuǎn)換器設(shè)計解析

一、引言

在電子電路設(shè)計中，DC - DC轉(zhuǎn)換器是非常關(guān)鍵的部分，它能將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓，以滿足不同電子設(shè)備的供電需求。TPS40000和TPS40001是電壓模式、同步降壓PWM控制器，它們采用了TI專有的Predictive Gate Drive?技術(shù)，能夠從降壓轉(zhuǎn)換器中獲得最大效率。今天我們就來詳細探討基于TPS40001的10A輸出轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。

文件下載：TPS40001EVM-001.pdf

二、評估套件重要說明

TI提供的這款評估套件僅用于工程開發(fā)或評估目的，不適合商業(yè)使用。該套件可能在設(shè)計、營銷和制造相關(guān)的保護考慮方面不完整，也可能不符合歐盟電磁兼容性指令的技術(shù)要求。如果套件不符合用戶指南中的規(guī)格，可在交付日期起30天內(nèi)退款。用戶需承擔產(chǎn)品正確安全處理的責任，并對TI因產(chǎn)品處理或使用產(chǎn)生的所有索賠進行賠償。產(chǎn)品可能未通過監(jiān)管合規(guī)或機構(gòu)認證，用戶要注意靜電放電防護。

三、動態(tài)警告和限制

輸入電壓范圍

必須在0V（0VDC）到5.5VDC的輸入電壓范圍內(nèi)操作該評估套件，超出指定輸入范圍可能導(dǎo)致意外操作和/或?qū)μ准斐刹豢赡孓D(zhuǎn)的損壞。如有輸入范圍相關(guān)問題，連接輸入電源前請聯(lián)系TI現(xiàn)場代表。

輸出負載范圍

施加超出指定輸出范圍的負載可能導(dǎo)致意外操作和/或?qū)μ准斐捎谰眯該p壞。連接負載到套件輸出前，請查閱用戶指南。若對負載規(guī)格不確定，請聯(lián)系TI現(xiàn)場代表。

溫度注意事項

正常運行時，部分電路組件的外殼溫度可能超過50°C。只要保持輸入和輸出范圍，即使某些組件溫度高于50°C，套件也能正常工作。這些組件包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)晶體管、傳輸晶體管和電流感測電阻等。操作時在這些設(shè)備附近放置測量探頭，要注意它們可能很燙。

四、轉(zhuǎn)換器特性

該轉(zhuǎn)換器的規(guī)格如下：當輸入電壓VIN = 3.3V、負載為4A時，效率 > 95%；輸出電流范圍為0A到10A。功率半導(dǎo)體器件方面，每個MOSFET采用單個SO - 8封裝。

五、設(shè)計流程

1. TPS4000X系列器件選擇

TPS4000X系列有四種選擇，涵蓋頻率和連續(xù)/不連續(xù)電感電流選項。本高電流應(yīng)用選擇TPS4000/1，因為300kHz的開關(guān)頻率能實現(xiàn)更高效率。TPS40002/3適用于需要600kHz操作的應(yīng)用。該系列還允許用戶在輕負載時選擇不連續(xù)電流模式（DCM）或連續(xù)電流模式（CCM）操作。本參考設(shè)計選擇TPS40001以保持零負載下的連續(xù)模式操作。若需要，也可安裝TPS40000，當控制器檢測到電感電流達到零時，關(guān)閉同步MOSFET，表明電路進入DCM操作。

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。電感值過小會導(dǎo)致紋波電流增大，增加電感和MOSFET的RMS電流損耗，也會使輸出紋波電壓增大。通過公式[L{MIN }=frac{V{OUT }}{f × I{RIPPLE }}left(1-frac{V{OUT }}{V_{IN(max) }}right)]計算，選擇紋波電流IRIPPLE為輸出電流IOUT的40%（最大VIN時為4A），最終選擇標準值1μH、電阻為3.5mΩ的電感，滿載時功率損耗僅0.35W，占25W輸出功率的1.4%。

3. 輸入電容選擇

大容量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。對于本電源，輸入電壓紋波150mV較為合理，通過公式[C=frac{1 × Delta t}{Delta V}]計算出保守的最小電容值為167μF。同時要考慮RMS電流應(yīng)力，本轉(zhuǎn)換器中，大占空比使輸入RMS電流接近輸出電流。為滿足要求，采用三個22 - μF的X5R陶瓷電容靠近功率電路以承載高頻紋波電流，再選擇兩個330 - μF的POSCAP，每個RMS電流能力為4.4A。

4. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇基于功能、成本、尺寸和可用性等多種應(yīng)用變量。首先通過公式[C{OUT (min )}=frac{I{RIPPLE }}{8 × f × V{RIPPLE }}]確定最小允許輸出電容，同時要考慮電容ESR引起的電壓分量，通過公式[ESR{Cout } leq frac{V{RIPPLE }}{I{RIPPLE }}]計算。為在保持良好瞬態(tài)響應(yīng)的同時減小電容尺寸，采用兩個470 - μF的POSCAP（每個ESR為10mΩ）與一個1 - μF的陶瓷電容并聯(lián)。

5. MOSFET選擇

設(shè)計約束是在降壓轉(zhuǎn)換器功率級的上開關(guān)器件和下同步整流器位置各使用一個SO - 8 MOSFET。上器件損耗通常由開關(guān)損耗主導(dǎo)，因此選擇柵極電荷和開關(guān)時間較低的器件。由于本應(yīng)用輸出電壓較高，上器件占空比高，需要低RDS(on)以降低傳導(dǎo)損耗，選擇最大柵極電荷為30nC、RDS(on)為8mΩ的器件，下開關(guān)位置也使用相同器件以實現(xiàn)高效率。

6. 短路保護

TPS40003通過比較導(dǎo)通時頂部MOSFET兩端的電壓與由內(nèi)部15μA電流源通過R LIM從VDD降壓得到的電壓來實現(xiàn)短路保護。由于電流源的公差和功率MOSFET導(dǎo)通電壓隨溫度的變化，短路保護只能防止嚴重過流情況，短路保護水平應(yīng)設(shè)置得遠高于額定負載。通過公式[R{LIM }=R 2=frac{3 × I{OUT } × R_{DS(on) }}{15 mu A}]計算，本設(shè)計中R2選擇標準值16.2kΩ。為防止短路時高電流使SW引腳8電壓低于地電位幾伏，在該引腳串聯(lián)一個3.3Ω電阻以限制其偏移到安全水平。

7. 補償設(shè)計

TPS40000采用電壓模式控制和高頻誤差放大器。通過公式[Freq {LC}=frac{1}{2 × pi × sqrt{L{OUT } × C_{OUT }}}]計算功率電路L - C雙極點轉(zhuǎn)角頻率。反饋補償網(wǎng)絡(luò)提供兩個零點和三個極點，第一個極點靠近原點以改善直流調(diào)節(jié)，第一個零點置于fc以下的2.2kHz，第二個零點置于18kHz，第一個極點靠近ESR零點頻率，第二個極點置于開關(guān)頻率的一半（150kHz）以實現(xiàn)高速瞬態(tài)響應(yīng)。

8. 緩沖組件選擇

Q1和L1連接的開關(guān)節(jié)點噪聲很大，在該節(jié)點與地之間安裝R - C網(wǎng)絡(luò)可減少Q(mào)2的振鈴和電壓過沖。緩沖電容C12通常選擇為節(jié)點寄生電容（主要是Q2的COS）的5到8倍，本設(shè)計中Q2在5V時COS約為1600pF，C12選擇10nF，R3通過經(jīng)驗確定為2.2Ω，可最小化開關(guān)節(jié)點的振鈴和過沖。在5V相對較低的輸入電壓下，功率損耗為37mW。

六、PowerPAD封裝

TPS4000X系列采用TI的PowerPAD熱增強封裝。在該封裝中，使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂將集成電路芯片連接到引線框架芯片焊盤，該焊盤暴露在封裝底部。根據(jù)散熱要求，引線框架芯片焊盤可通過標準焊接工藝焊接到PCB上，但也可不焊接。PowerPAD封裝有助于降低結(jié)溫，即使板載MOSFET驅(qū)動器存在功率損耗。為有效散熱，應(yīng)在封裝下方提供散熱焊盤，散熱焊盤上的過孔不應(yīng)有熱隔離，過孔應(yīng)足夠小以防止焊料流失。更多關(guān)于PowerPAD封裝的信息可參考TI文檔《PowerPAD Thermally Enhanced Package Application Report》。

七、測試結(jié)果和性能數(shù)據(jù)

1. 測試設(shè)置

通過特定的測試設(shè)置進行各項性能測試。

2. 效率曲線

3.3V輸入時的典型效率曲線顯示，測量高效率需要在儀器使用上格外小心，因為功率損耗很低，小誤差可能導(dǎo)致測量效率的大變化。輸入和輸出電壓在PCB上測量以避免輸入和輸出連接器的損耗。

3. 開關(guān)節(jié)點波形

在VIN = 5V、Iout = 10A時，開關(guān)節(jié)點波形顯示使用Predictive Gate Drive技術(shù)后，體二極管導(dǎo)通幾乎可以忽略不計。

4. 輸出電壓紋波

高VIN和滿載時的輸出電壓紋波是最惡劣的情況，通過測試可觀察到相關(guān)數(shù)據(jù)。

5. 瞬態(tài)響應(yīng)

50%負載階躍（從2.5A到7.5A）的瞬態(tài)響應(yīng)測試展示了轉(zhuǎn)換器在負載變化時的性能。

八、PCB布局

PCB的頂部組件和銅層布局在相關(guān)圖中展示，合理的PCB布局對于轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。

九、材料清單

文檔中列出了設(shè)計中使用的組件清單，通過對組件的微調(diào)，該設(shè)計可滿足廣泛的應(yīng)用需求。

在實際設(shè)計中，你是否遇到過類似的DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計挑戰(zhàn)？你是如何解決的呢？希望本文能為電子工程師們在基于TPS40001的轉(zhuǎn)換器設(shè)計中提供有價值的參考。