德州儀器TPS51113和TPS51163同步降壓控制器：特性、設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）推出的TPS51113和TPS51163同步降壓控制器，以其豐富的特性和出色的性能，在服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)電源等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。今天，我們就來(lái)深入了解這兩款控制器。

文件下載：TPS51113EVM.pdf

產(chǎn)品概述

TPS51113和TPS51163是成本優(yōu)化、功能豐富的單通道同步降壓控制器。它們能在4.5 - 13.2V的單一電源下工作，可將低至1.5V的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。TPS51113的開(kāi)關(guān)頻率固定為300kHz，TPS51163則為600kHz。這兩款控制器采用電壓模式控制，支持輸出預(yù)偏置啟動(dòng)，還具備可編程過(guò)流保護(hù)、欠壓/過(guò)壓保護(hù)以及電源正常指示等功能。

特性亮點(diǎn)

• 靈活的電源軌：支持5V至12V的電源輸入，參考電壓為800mV ± 0.8%。
• 過(guò)流保護(hù)：采用低端 (R_{DS(on)}) 電流感應(yīng)，具有用戶(hù)可編程閾值。通過(guò)連接從LDRV_OC引腳到GND的外部電阻來(lái)設(shè)置過(guò)流閾值。
• 軟啟動(dòng)和自校準(zhǔn)：當(dāng)VDD高于4.3V且COMP_EN引腳釋放時(shí)，控制器進(jìn)入兩階段啟動(dòng)序列。第一階段完成自校準(zhǔn)并禁止FET開(kāi)關(guān)，第二階段開(kāi)始軟啟動(dòng)并啟用開(kāi)關(guān)，內(nèi)部參考電壓逐漸升至800mV。
• 欠壓/過(guò)壓保護(hù)：通過(guò)專(zhuān)用的VOS輸入設(shè)置輸出欠壓和過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)VOS電壓低于600mV時(shí)，欠壓保護(hù)觸發(fā)；高于1V時(shí)，過(guò)壓保護(hù)激活。
• 電源正常指示：PGOOD輸出在輸出電壓處于目標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)為高電平，當(dāng)輸出電壓偏離目標(biāo)值±10%時(shí)變?yōu)榈碗娖?，返回?%范圍內(nèi)時(shí)再次變?yōu)楦唠娖健?/li>

技術(shù)參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

涵蓋輸入電壓范圍、各引腳電壓范圍、工作結(jié)溫及存儲(chǔ)結(jié)溫等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為 -0.3至30V，工作結(jié)溫范圍為 -40至125°C。

電氣特性

在 -40°C至85°C的環(huán)境溫度下，(V_{VDD}=12Vdc) 時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定。如參考電壓在0°C至85°C時(shí)為794 - 806mV，在 -40°C至85°C時(shí)為792 - 808mV。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

外部零件選擇

• 電感選擇：電感值決定電流紋波大小，進(jìn)而影響輸出電壓紋波。需在低紋波電流和低電感值之間取得平衡，可根據(jù)公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}{V{IN} × R{IPPLE} × f{SW}}) 計(jì)算所需電感值。
• 輸出電容計(jì)算：根據(jù)輸出紋波電壓和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求，可通過(guò)公式 (Delta V=I{RIPPLE} times(ESR+frac{1}{8 × C{OUT} × f_{SW}})) 計(jì)算輸出電容值。同時(shí)，還需考慮負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)需求，計(jì)算最小輸出電容。
• 輸入電容選擇：根據(jù)所需輸入電壓紋波，通過(guò)公式 (V{RIPPLE}(C{IN})=frac{I{OUT} × V{OUT}}{C{IN(min)} × V{IN} × f_{SW}}) 選擇合適的輸入電容。
• MOSFET選擇：選擇合適的MOSFET對(duì)實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。需考慮MOSFET的電壓和電流額定值以及功率損耗，分別計(jì)算高側(cè)MOSFET和同步整流MOSFET的功率損耗。

反饋回路補(bǔ)償

由于采用電壓模式控制，推薦使用Type III網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。通過(guò)選擇合適的參數(shù)設(shè)置極點(diǎn)和零點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高相位裕度和快速響應(yīng)。

布局考慮

• 信號(hào)地和功率地應(yīng)使用單獨(dú)的銅平面，敏感節(jié)點(diǎn)連接到信號(hào)地平面，高功率噪聲電路連接到功率地平面，兩者在器件附近通過(guò)單一路徑連接。
• 靠近VDD和GND引腳放置至少0.1μF的陶瓷電容，推薦電容值為1μF。
• PowerPAD應(yīng)電氣連接到GND。
• 調(diào)節(jié)電壓的走線應(yīng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)組件，偏置電阻應(yīng)盡可能靠近FB和GND引腳。
• 功率級(jí)組件布局應(yīng)確保最小化環(huán)路面積，減少輻射發(fā)射。

設(shè)計(jì)示例

以TPS51113為例，設(shè)計(jì)一個(gè)12V轉(zhuǎn)1.6V/10A的DC - DC轉(zhuǎn)換器。

• 電感選擇：選擇1.5μH的電感，電感紋波電流為3.08A。
• 輸出電容計(jì)算：選擇470μF的POS - CAP和47μF的陶瓷電容并聯(lián)。
• 輸入電容選擇：選擇兩個(gè)22μF的陶瓷電容，ESR為2mΩ。
• MOSFET選擇：高側(cè)MOSFET選用BSC079N03S，同步整流MOSFET選用BSC032N03S。
• 反饋回路補(bǔ)償：采用Type III網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)計(jì)算確定極點(diǎn)和零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)約35.7kHz的交叉頻率和約60°的相位裕度。

總結(jié)

TPS51113和TPS51163同步降壓控制器憑借其豐富的特性和出色的性能，為電源設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，合理選擇外部零件、進(jìn)行反饋回路補(bǔ)償以及優(yōu)化布局，能夠充分發(fā)揮這兩款控制器的優(yōu)勢(shì)，滿足不同應(yīng)用的需求。你在使用這兩款控制器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。