TPS6735：固定負5V 200mA反相DC/DC轉換器的深度解析

在電子設計領域，DC/DC轉換器是實現(xiàn)電源轉換的關鍵組件。今天要介紹的德州儀器（TI）的TPS6735固定負5V 200mA反相DC/DC轉換器，憑借其出色的性能和廣泛的應用場景，成為眾多工程師的首選。

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一、產品概述

TPS6735能夠在低至4.5V的輸入電壓下提供固定的負5V輸出，最大輸出電流可達200mA。其輸入工作范圍為4V至6.2V，典型效率高達78%。采用160kHz固定頻率電流模式PWM控制器，具有軟啟動功能，可有效減少浪涌電流。該轉換器提供使能（EN）輸入，當不需要 -5V輸出時，可將其置于關斷模式，此時電源電流可降至1μA。此外，它有8引腳SOIC和DIP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至85°C，并且與MAX735引腳兼容。

二、產品特性及優(yōu)勢

（一）電氣特性

1. 輸入輸出特性：輸入電壓范圍為4V - 6.2V，能適應多種電源環(huán)境。輸出為固定的 -5V，最大輸出電流200mA，可滿足大多數對負電壓有需求的電路。在推薦工作條件下，輸出電壓在 -4.75V至 -5.25V之間，負載電流最大可達270mA，線路調整率和負載調整率均為0.2%，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
2. 效率與功耗：典型效率為78%，在100mA負載時表現(xiàn)出色。在無負載情況下，典型電源電流為1.9mA；當使能輸入為低電平時，電源電流可降至1μA，大大降低了功耗，適合電池供電設備。
3. 頻率與參考電壓：振蕩器頻率固定為160kHz，為電路提供穩(wěn)定的工作頻率。參考電壓為1.22V，可向外部負載提供最大125μA的電流，且參考電壓漂移為50ppm/°C，具有較好的穩(wěn)定性。

（二）功能特性

1. 軟啟動功能：通過在SS引腳連接一個小電容實現(xiàn)軟啟動，使輸出電壓以可控的速率上升到調節(jié)點。軟啟動過程中，充電的軟啟動電容逐漸提高誤差放大器輸出電壓的鉗位，逐周期增加電流限制閾值，從而限制上電時的浪涌電流。當使能信號變?yōu)楦唠娖交蜻^流故障觸發(fā)軟啟動電容放電時，會啟動軟啟動周期。
2. 過流保護：過流比較器實時監(jiān)測功率開關中的電流，當功率開關電流峰值超過2A時，比較器觸發(fā)并啟動軟啟動周期，保護電路免受過大電流的損害。
3. 欠壓鎖定（UVLO）：電源電壓通過分壓器輸入到UVLO電路，并與參考電壓進行比較。當電源電壓低于欠壓鎖定電壓閾值時，MOSFET不會導通；當電源電壓高于閾值時，會啟動軟啟動周期，確保電路在合適的電壓下工作。

三、內部結構與工作原理

（一）功能模塊

1. 電流感測放大器：固定增益為3，對斜率補償后的電流感測電壓（電流感測電阻上的電壓與振蕩器斜坡的總和）進行放大，并將其饋送到PWM比較器。
2. 驅動鎖存器：由置位/復位觸發(fā)器和相關邏輯組成，通過開啟和關閉驅動器來控制功率開關的狀態(tài)。在正常操作中，觸發(fā)器在時鐘脈沖期間置為高電平，但門控使鎖存器輸出保持低電平，直到時鐘脈沖結束。當PWM比較器輸出為高電平時，鎖存器復位。
3. 誤差放大器：作為高增益差分放大器，用于調節(jié)轉換器的輸出電壓。通過將輸出電壓的采樣與參考電壓進行比較，并放大差值，生成誤差信號饋送到PWM比較器。
4. 振蕩器和斜坡發(fā)生器：振蕩器電路提供160kHz的時鐘，用于設置轉換器的工作頻率，并產生用于斜率補償的定時斜坡。時鐘波形為持續(xù)幾百納秒的脈沖，用于將最大功率開關占空比限制在95%。定時斜坡與電流感測信號在電流感測放大器的輸入處相加。
5. PWM比較器：當來自電流感測放大器的斜率補償電流感測信號超過誤差信號時，比較器復位驅動鎖存器并關閉功率開關。

（二）工作過程

電源接通后，UVLO電路檢測電源電壓是否高于閾值。若高于閾值，啟動軟啟動周期，軟啟動電容開始充電，輸出電壓逐漸上升。在正常工作時，電流感測放大器監(jiān)測功率開關的電流，誤差放大器根據輸出電壓與參考電壓的差值生成誤差信號。PWM比較器根據電流感測信號和誤差信號的比較結果，控制功率開關的導通和關斷，從而實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。當出現(xiàn)過流情況時，過流比較器觸發(fā)軟啟動周期，保護電路安全。

四、應用設計要點

（一）元件選擇

1. 電感器：TPS6735需要一個標準的10μH電感器，其飽和電流應大于所需最大負載下的峰值開關電流?？蓞⒖嫉湫凸ぷ魈匦詧D中峰值電感電流與負載電流的關系來確定所需的電感飽和水平。
2. 輸出濾波電容：為了最小化輸出紋波電壓，需要使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的輸出濾波電容。對于高達200mA的輸出負載，100mΩ的ESR可將輸出紋波限制在90mV或更低。
3. 整流器：應使用肖特基二極管或高速硅整流器，其最大連續(xù)電流額定值為1A，以滿足滿載（200mA）工作的要求。

（二）PCB布局

1. 接地平面：在印刷電路板（PCB）布局中，建議使用接地平面，以確保電路的安靜運行。
2. 開關環(huán)路：注意盡量減小開關環(huán)路的長度，以減少電磁干擾。
3. 旁路電容：旁路電容應盡可能靠近TPS6735放置，以防止不穩(wěn)定和噪聲拾取。VCC和GND應直接用1μF陶瓷電容和一個大的旁路電容（如47μF）進行旁路，以提高抗噪能力。

五、總結

TPS6735固定負5V 200mA反相DC/DC轉換器以其高效、穩(wěn)定的性能，在計算機外設和電池供電設備等領域具有廣泛的應用前景。通過合理選擇外部元件和優(yōu)化PCB布局，工程師可以充分發(fā)揮該轉換器的優(yōu)勢，設計出性能優(yōu)良的電源電路。在實際應用中，你是否遇到過類似DC/DC轉換器的設計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。