TPS5103：多模式同步DC/DC控制器的深度解析

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，DC/DC控制器扮演著至關(guān)重要的角色。TPS5103作為一款多模式同步DC/DC控制器，專為筆記本電腦系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，具備多種操作模式和出色的性能，能滿足不同應(yīng)用場景的需求。本文將對(duì)TPS5103進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)剖析，希望能為電子工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供有益的參考。

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一、TPS5103的主要特性

1. 操作模式

TPS5103具有三種用戶可選的操作模式：滯回模式、固定頻率PWM控制和SKIP控制。在高電流應(yīng)用中，滯回模式能提供快速的瞬態(tài)響應(yīng)，減少大容量電容的使用；而在輕負(fù)載條件下，選擇PWM/SKIP模式則有助于節(jié)省筆記本電池壽命。

2. 電壓范圍與效率

輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可調(diào)節(jié)至低至1.2V，效率高達(dá)95%。此外，它還具備待機(jī)控制、過流保護(hù)和欠壓鎖定（UVLO）等功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 驅(qū)動(dòng)能力

該控制器包含高端和低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)低導(dǎo)通電阻（rds(on)）的N溝道MOSFET，為電源開關(guān)提供可靠的驅(qū)動(dòng)。

二、關(guān)鍵參數(shù)與功能解析

1. 參考電壓（REF）

REF電壓用于輸出電壓設(shè)置和電壓保護(hù)，典型公差為1.5%。它為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，確保輸出電壓的準(zhǔn)確性。

2. 內(nèi)部5V調(diào)節(jié)器（VREF5）

內(nèi)部線性電壓調(diào)節(jié)器為高端驅(qū)動(dòng)器自舉電壓提供固定電壓，輸入電壓范圍為4.5V至25V，公差為6%。這使得自舉電路的設(shè)計(jì)更加簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 滯回比較器

滯回比較器用于調(diào)節(jié)同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，內(nèi)部設(shè)定的滯回值典型為9.7mV，從比較器輸入到驅(qū)動(dòng)器輸出的總延遲時(shí)間典型為400ns。這種設(shè)計(jì)能夠有效減少輸出電壓的波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4. 誤差放大器

誤差放大器用于感測同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，其負(fù)輸入通過電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)連接到VREF（1.185V），輸出端引出到FB端子，用于環(huán)路增益補(bǔ)償。通過合理設(shè)計(jì)誤差放大器的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制。

5. 驅(qū)動(dòng)器

• 低端驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低rds(on)的N溝道MOSFET，最大驅(qū)動(dòng)電壓為5V（來自VREF5），典型電流額定值為1.2A（灌電流）和 -1.5A（拉電流）。
• 高端驅(qū)動(dòng)器：同樣用于驅(qū)動(dòng)低rds(on)的N溝道MOSFET，電流額定值為1.2A（灌電流）和 -1.7A（拉電流）。當(dāng)配置為浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的偏置電壓由VREF5提供，限制了OUT_u和LL之間的最大驅(qū)動(dòng)電壓為5V，LH和OUTGND之間的最大電壓為30V。

  6. 驅(qū)動(dòng)器死區(qū)時(shí)間控制

  死區(qū)時(shí)間控制可防止主功率FET中出現(xiàn)直通電流，在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，主動(dòng)控制MOSFET驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間。典型的死區(qū)時(shí)間為：從低端驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷到高端驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通為90ns，從高端驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷到低端驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通為110ns。

  7. 電流保護(hù)

  通過VCC_SENSE和LL端子感測高端功率MOSFET導(dǎo)通期間的漏源電壓降，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)。外部電阻（連接在VREG5V_IN和TRIP之間）與內(nèi)部電流源（PWM模式下典型值為15μA，SKIP模式下為5μA）共同調(diào)節(jié)電流限制。當(dāng)正端電壓低于負(fù)端電壓時(shí)，電流比較器觸發(fā)振蕩器，反復(fù)重置觸發(fā)器，直到過流條件消除。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓由參考電壓和分壓器設(shè)置，計(jì)算公式為： [R 2=frac{R 1 × V{ref }}{V{O}-V{ref }}] 其中，R1（>10kΩ）為上拉電阻，R2為下拉電阻，(V{O})為所需輸出電壓，(V_{ref })為參考電壓（TPS5103中為1.185V）。通過合理選擇電阻值，可以實(shí)現(xiàn)不同的輸出電壓設(shè)置。

2. 開關(guān)頻率計(jì)算

在滯回控制模式下，開關(guān)頻率是多個(gè)因素的函數(shù)，包括輸入電壓、輸出電壓、滯回窗口、滯回比較器和驅(qū)動(dòng)器的延遲、輸出電感、輸出電容等。為了簡化計(jì)算，可使用以下簡化公式： [f s=frac{V{O} timesleft(V{I}-V{O}right) timesleft(ESR-left(10 × 10^{-7}+Tdright) / C{O}right)}{V{1} timesleft(V{1} × ESR timesleft(10 × 10^{-7}+Tdright)+0.0097 × L{(O)}-E S L × V{1}right)}] 其中，fs為開關(guān)頻率（Hz），(V{O})為輸出電壓，(V{I})為輸入電壓，(C{O})為輸出電容，ESR為輸出電容的等效串聯(lián)電阻，ESL為輸出電容的等效串聯(lián)電感，(L{(O)})為輸出電感，Td為輸出反饋RC濾波器時(shí)間常數(shù)（s）。

3. 輸出電感紋波電流計(jì)算

輸出電感紋波電流會(huì)影響效率、電感飽和以及輸出電壓電容的選擇，計(jì)算公式為： [I{(ripple )}=frac{V{I}-V{O}-I{O}left(r{d s(o n)}+RLright)}{L{O}} × D × T s] 其中，(I{(ripple)})為電感的峰 - 峰紋波電流（A），(V{I})為輸入電壓，(V{O})為輸出電壓，(I{O})為輸出電流，(r_{ds(on)})為MOSFET的導(dǎo)通電阻（Ω），D為占空比，Ts為開關(guān)周期（S）。通過調(diào)整輸出電感值，可以調(diào)節(jié)電流紋波。

4. 輸出電容RMS電流計(jì)算

假設(shè)電感紋波電流全部通過輸出電容到地，則輸出電容的RMS電流計(jì)算公式為： [I{O(rms)}=frac{Delta I}{sqrt{12}}] 其中，(I{O(rms)})為輸出電容的最大RMS電流（A），(Delta I)為電感的峰 - 峰紋波電流（A）。

5. 輸入電容RMS電流計(jì)算

假設(shè)輸入紋波電流全部流入輸入電容到電源地，則輸入電容的RMS電流計(jì)算公式為： [I{I(rms)}=sqrt{I{O}^{2} × D times(1-D)+frac{1}{12} × D × I{ripple }^{2}}] 其中，(I{I(rms)})為輸入電容的RMS電流（A），(I_{O})為輸出電流（A），D為占空比。通常，最低輸入電壓時(shí)輸入RMS電流最大，因此在設(shè)計(jì)輸入電容紋波電流時(shí)應(yīng)考慮最壞情況。

6. 軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)時(shí)間可以通過選擇軟啟動(dòng)電容值來調(diào)整，計(jì)算公式為： [C{(soft) }=2 × T{(soft) }] 其中，(C{(soft) })為軟啟動(dòng)電容（uF），(T{(soft) })為軟啟動(dòng)端子的啟動(dòng)時(shí)間（s）。

7. 電流保護(hù)

TPS5103的電流保護(hù)通過內(nèi)部電流源和外部電阻設(shè)置電流限制。計(jì)算公式如下：

• PWM或HYS模式：[R{cl}=frac{r{d s( on )} timesleft(I{(trip )}+I{ind(p-p)}/ 2right)}{0.000015}]
• SKIP模式：[R{cl}=frac{r{d s( on )} times I{(trip )}}{0.000005}] 其中，(R{cl})為外部電流限制電阻，(r{ds(on)})為高端MOSFET的導(dǎo)通電阻，(I{(trip )})為所需電流限制，(I_{ind(p-p)})為輸出電感的峰 - 峰電流。

  8. 環(huán)路增益補(bǔ)償

  為了實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的控制，TPS5103采用電壓模式控制進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。通過對(duì)功率級(jí)小信號(hào)建模和補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，可以提高反饋控制的性能。補(bǔ)償電路通常由積分器、極點(diǎn)和零點(diǎn)組成，通過調(diào)整這些參數(shù)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。

四、同步與布局指南

1. 同步方法

一些應(yīng)用需要開關(guān)時(shí)鐘同步，TPS5103提供了兩種同步方法：三角波同步和方波同步。三角波同步通過連接外部電阻和電容來實(shí)現(xiàn)；方波同步則適用于與數(shù)字電路（如DSP）同步，通過調(diào)整外部電阻和電容的值，實(shí)現(xiàn)正確的峰 - 峰電壓和偏移值。

2. 布局指南

良好的電源設(shè)計(jì)不僅依賴于電路設(shè)計(jì)，還與PCB布局密切相關(guān)。在布局TPS5103設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 所有敏感模擬組件應(yīng)參考ANAGND，包括連接到VREF5、Vref、INV、LH和COMP的組件。
• 模擬地和驅(qū)動(dòng)地應(yīng)盡可能隔離，模擬地連接到(V_{O})上大容量存儲(chǔ)電容的接地端，驅(qū)動(dòng)地連接到靠近低端FET源極的主接地平面。
• 驅(qū)動(dòng)器到功率FET柵極的連接應(yīng)盡可能短而寬，以減少雜散電感。
• (V_{CC})的旁路電容應(yīng)靠近TPS5103放置。
• 當(dāng)配置高端驅(qū)動(dòng)器為浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，LL到功率FET的連接應(yīng)盡可能短而寬，自舉電容（連接在LH和LL之間）應(yīng)靠近TPS5103放置。
• 大容量存儲(chǔ)電容應(yīng)靠近功率FET放置，高頻旁路電容應(yīng)與大容量電容并聯(lián)，并連接到高端FET的漏極和低端FET的源極附近。
• 輸出電壓感測走線應(yīng)通過接地走線或(V_{CC})走線進(jìn)行隔離。

五、測試結(jié)果與應(yīng)用建議

1. 測試結(jié)果

在(T_{A}=25^{circ} C)、點(diǎn)電壓為5V的條件下進(jìn)行測試，TPS5103表現(xiàn)出了良好的性能，包括效率、輸出電壓穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)等方面。

2. 應(yīng)用建議

• 對(duì)于5V輸入電壓的應(yīng)用，可以將C1更換為低剖面電容，如Sanyo 10TPB220M（220μF，10V）或6TPB330M（330μF，6.3V）。
• 對(duì)于輸出電流小于3A的應(yīng)用，可以將Q1和Q2更換為雙封裝MOSFET，如IRF7311，以降低成本。
• 對(duì)于二極管版本的應(yīng)用，可以移除Q2以降低成本。

六、總結(jié)

TPS5103作為一款多模式同步DC/DC控制器，具有多種操作模式、出色的性能和豐富的保護(hù)功能，適用于筆記本電腦等多種電源應(yīng)用。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師們可以根據(jù)具體需求，靈活選擇操作模式和調(diào)整參數(shù)，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，注意布局和測試，確保系統(tǒng)的可靠性和性能。你在使用TPS5103進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。