TPS6125x 3.5 - MHz 高效升壓轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用詳解

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、小型化的升壓轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。TPS6125x 系列升壓轉(zhuǎn)換器憑借其出色的性能和緊湊的封裝，成為了眾多電池供電便攜式應(yīng)用的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入了解一下 TPS6125x 系列升壓轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品特性

1. 高效節(jié)能

TPS6125x 在 3.5 - MHz 工作頻率下可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 93% 的效率，這在同類產(chǎn)品中表現(xiàn)相當(dāng)出色。同時(shí)，其待機(jī)模式下的靜態(tài)電流僅為 21 - μA，正常工作時(shí)的靜態(tài)電流為 37 - μA，有效降低了功耗，延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。

2. 寬輸入電壓范圍

該系列產(chǎn)品支持 2.3 V 至 5.5 V 的寬輸入電壓范圍，能夠適應(yīng)多種電源供電，如鋰離子電池等。在不同的輸入電壓條件下，它都能穩(wěn)定輸出，滿足各種負(fù)載需求。例如，當(dāng) (V{OUT}=4.5 ~V) 且 (V{IN } ≥2.65 ~V) 時(shí)，輸出電流 (I{OUT } ≥800 ~mA)；當(dāng) (V{OUT}=5.0 ~V) 且 (V{IN } ≥3.3 ~V) 時(shí)，輸出電流 (I{OUT } ≥1000 ~mA)，峰值電流甚至可達(dá) 1500 mA。

3. 高精度輸出

TPS6125x 具有 ±2% 的總直流電壓精度，能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

4. 輕載 PFM 模式

在輕負(fù)載情況下，該轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，進(jìn)一步降低功耗，提高效率。同時(shí)，它還支持可選的待機(jī)模式或在關(guān)機(jī)時(shí)實(shí)現(xiàn)真正的負(fù)載斷開(kāi)功能，有效保護(hù)電池。

5. 保護(hù)功能完善

具備熱關(guān)斷和過(guò)載保護(hù)功能，能夠在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

6. 小型化設(shè)計(jì)

僅需三個(gè)表面貼裝外部組件，總解決方案尺寸小于 (25 ~mm^{2})，采用 9 - 引腳 NanoFreeTM（CSP）封裝，非常適合對(duì)空間要求較高的便攜式設(shè)備。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 移動(dòng)設(shè)備

如手機(jī)、智能手機(jī)等，為其提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，滿足設(shè)備的高功率需求。

2. 音頻應(yīng)用

適用于單聲道和立體聲音頻功率放大器（APA）應(yīng)用，確保音頻信號(hào)的高質(zhì)量輸出。

3. USB 充電端口

可為 USB 充電端口提供 5V 電源，方便設(shè)備充電。

三、詳細(xì)描述

1. 工作模式

TPS6125x 同步升壓轉(zhuǎn)換器通常在中等到重負(fù)載電流下以準(zhǔn)恒定的 3.5 - MHz 頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式運(yùn)行。在輕負(fù)載電流時(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到脈沖頻率調(diào)制（PFM）的節(jié)能模式，以保持整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)的高效率。

2. 功能特性

• 電流限制操作：采用谷值電流限制檢測(cè)方案，通過(guò)檢測(cè)同步整流器兩端的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)電流限制。當(dāng)負(fù)載電流增加到一定程度時(shí)，輸出電壓會(huì)降低，以保護(hù)設(shè)備。
• 使能控制：通過(guò) EN 引腳控制設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉。當(dāng) EN 引腳置高時(shí)，設(shè)備開(kāi)始工作，并通過(guò)軟啟動(dòng)序列啟動(dòng)；當(dāng) EN 和 BP 引腳都置低時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，關(guān)機(jī)電流通常為 1 μA，實(shí)現(xiàn)真正的負(fù)載斷開(kāi)。
• 負(fù)載斷開(kāi)和反向電流保護(hù)：與普通升壓轉(zhuǎn)換器不同，TPS6125x 在禁用時(shí)能夠?qū)⑤敵雠c電源輸入斷開(kāi)，防止電池在關(guān)機(jī)時(shí)放電。
• 軟啟動(dòng)：內(nèi)部軟啟動(dòng)電路可限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。在啟動(dòng)周期的預(yù)充電階段，整流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，直到輸出電容充電到接近輸入電壓，此階段整流開(kāi)關(guān)電流受限，可防止短路情況下的過(guò)流。
• 欠壓鎖定：欠壓鎖定電路可防止設(shè)備在低輸入電壓下出現(xiàn)故障，并避免電池過(guò)度放電。當(dāng)輸入電壓下降到低于欠壓鎖定閾值（通常為 2.0V）時(shí)，設(shè)備輸出級(jí)禁用；當(dāng)輸入電壓上升到閾值加上 100 mV 滯后（通常為 2.1 V）時(shí)，設(shè)備開(kāi)始工作。
• 熱調(diào)節(jié)和熱關(guān)斷：熱調(diào)節(jié)環(huán)路可在預(yù)充電階段監(jiān)測(cè)芯片溫度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)降低電流，防止溫度進(jìn)一步升高；當(dāng)結(jié)溫超過(guò) 140°C（典型值）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入熱關(guān)斷模式，當(dāng)溫度下降到熱關(guān)斷閾值減去滯后溫度時(shí)，設(shè)備恢復(fù)工作。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 電感選擇

電感是升壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組件之一，其飽和電流額定值應(yīng)高于功率開(kāi)關(guān)可能流過(guò)的峰值電流。電感的峰值電流隨負(fù)載、輸入和輸出電壓而變化，可通過(guò)公式 (L{(PEAX) }=frac{V{IN} cdot D}{2 cdot f cdot L}+frac{I{OUT }}{(1-D) cdot eta})（其中 (D=1-frac{V{IN} cdot eta}{V{OUT }})）進(jìn)行估算。同時(shí)，電感的直流電流額定值應(yīng)大于最大輸入平均電流，可參考公式 (I{L(D C)}=frac{V{OUT }}{V{IN }} cdot frac{1}{eta} cdot I{OUT })。TPS6125x 系列推薦使用 0.7 - 2.9 μH 的電感，內(nèi)部補(bǔ)償針對(duì) (L = 1 mu H) 和 (C{O}=10 mu F) 的輸出濾波器進(jìn)行了優(yōu)化。

2. 輸出電容選擇

建議使用小陶瓷電容，并盡可能靠近 IC 的 (V{OUT}) 和 GND 引腳放置?？赏ㄟ^(guò)公式 (C{MMN}=frac{I{OUT } cdotleft(V{OUT }-V{IN}right)}{f cdot Delta V cdot V{OUT }}) 估算推薦的最小輸出電容值，其中 (f) 為開(kāi)關(guān)頻率（典型值為 3.5 MHz），(Delta V) 為最大允許輸出紋波。由于直流偏置效應(yīng)，應(yīng)選擇電容值為計(jì)算最小值兩倍的多層陶瓷電容（MLCC），并使用 X7R 或 X5R 電介質(zhì)，以確保控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

3. 輸入電容選擇

多層陶瓷電容是升壓轉(zhuǎn)換器輸入去耦的理想選擇，因其具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR）和小尺寸。輸入電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，4.7 - μF 的輸入電容已足夠，但在某些情況下，可使用更大的值來(lái)降低輸入電流紋波。當(dāng)使用陶瓷輸入電容且電源通過(guò)長(zhǎng)電線供電時(shí)，輸出負(fù)載階躍可能會(huì)在 (V{IN}) 引腳引起振鈴，此時(shí)應(yīng)在 (C{1}) 和電源引線之間添加額外的“大容量”電容（如電解或鉭電容）以減少振鈴。

4. 環(huán)路穩(wěn)定性檢查

評(píng)估電路和穩(wěn)定性時(shí)，首先要從穩(wěn)態(tài)角度觀察開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）、電感電流（(I{L})）和輸出紋波電壓（(V{OUT(AC) })）等基本信號(hào)。當(dāng)開(kāi)關(guān)波形出現(xiàn)較大的占空比抖動(dòng)或輸出電壓、電感電流出現(xiàn)振蕩時(shí)，調(diào)節(jié)環(huán)路可能不穩(wěn)定，這通常是由電路板布局和/或 L - C 組合引起的。此外，還需測(cè)試負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，觀察輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間、過(guò)沖或振鈴情況，以判斷轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。由于電路的阻尼因子與多個(gè)電阻參數(shù)（如 MOSFET (r_{DS(on)})）有關(guān)，且這些參數(shù)隨溫度變化，因此環(huán)路穩(wěn)定性分析需要在輸入電壓范圍、負(fù)載電流范圍和溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。

五、布局和熱考慮

1. 布局指南

對(duì)于所有開(kāi)關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，尤其是在高峰值電流和高開(kāi)關(guān)頻率的情況下。為避免調(diào)節(jié)器出現(xiàn)穩(wěn)定性和電磁干擾（EMI）問(wèn)題，應(yīng)使用寬而短的走線作為主電流路徑和電源接地軌道。輸入電容、輸出電容和電感應(yīng)盡可能靠近 IC 放置，使用單獨(dú)的電源接地節(jié)點(diǎn)和控制接地節(jié)點(diǎn)，以減少接地噪聲的影響，并在靠近 IC 接地引腳的位置連接這些接地節(jié)點(diǎn)。

2. 熱考慮

在低輪廓和細(xì)間距表面貼裝封裝的集成電路中，散熱問(wèn)題需要特別關(guān)注。影響功率耗散極限的因素包括熱耦合、氣流、散熱片和對(duì)流表面以及其他發(fā)熱組件的存在。為提高熱性能，可采取以下措施：改善 PCB 設(shè)計(jì)的功率耗散能力、增強(qiáng)組件與 PCB 的熱耦合以及引入系統(tǒng)氣流。在高功率耗散的應(yīng)用中，如基于 TPS61253 或 TPS61259 的解決方案，應(yīng)特別注意電路板設(shè)計(jì)中的散熱問(wèn)題，確保設(shè)備的工作結(jié)溫低于 125°C。

六、總結(jié)

TPS6125x 系列升壓轉(zhuǎn)換器以其高效、小型化和多功能的特點(diǎn)，為電池供電便攜式應(yīng)用提供了優(yōu)秀的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇外部組件、優(yōu)化布局和考慮散熱問(wèn)題，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足各種應(yīng)用的需求。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂?TPS6125x 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。你在使用 TPS6125x 過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。