高效電源轉(zhuǎn)換芯片TPS54360及其應(yīng)用

李會

（煤炭科學研究總院 沈陽研究院 大連分院，遼寧 大連 116013）

由于煤礦井下供電環(huán)境電壓變化范圍較大、浪涌沖擊時有發(fā)生的特殊性，對相應(yīng)直流穩(wěn)壓電源的輸入特性要求較高。選擇一款高效DC/DC功率轉(zhuǎn)換芯片，兼有優(yōu)良的輸入特性，對于開發(fā)礦用本安輸出型直流穩(wěn)壓電源很有意義。比較現(xiàn)有多種型號同類產(chǎn)品，美國TI公司的新型BUCK集成電路TPS54360（以下簡稱芯片）具有明顯優(yōu)勢，很適合我們的開發(fā)需要。

1 原理及外部接線

芯片的簡化應(yīng)用電路原理圖分別如圖1所示，可見其各引腳作用，其中EN（3腳）為使能控制端，可以通過外部電阻分壓選擇最低輸入啟動電平；RT/CLK（4腳）為開關(guān)振蕩器頻率選擇端；COMP（6腳）為驅(qū)動特性優(yōu)化端（頻率補償）。另外還提供一個增強散熱焊盤（背面）P-PAD（9腳）。

2 技術(shù)參數(shù)與特點

圖1 簡化應(yīng)用電路原理圖Fig.1 The simplified application circuit principle diagram

與同類集成電路比較，更加寬廣的頻率調(diào)節(jié)范圍（100 kHz～2.5 MHz）使得選擇輸出濾波電路時可兼顧效率和外部組件尺寸優(yōu)化；超寬范圍輸入電壓（4.5～60 V）以及可調(diào)欠壓閉鎖使能使其耐受浪涌沖擊能力得到強化，極低的工作電流（146μA當無負載即開關(guān)停用時，當芯片不被使能，電源電流僅為2μA）輔以TI創(chuàng)新型脈沖跳躍Eco-模式使得其轉(zhuǎn)換效率明顯提高（滿足適當條件的典型效率高達96%并保持相當寬的輸出負載范圍）。導通電阻92 mΩ的高端MOSFET具有3.5 A持續(xù)電流、4.5 A最小峰值感應(yīng)器電流限值，以及-40～150℃芯片運行范圍，可滿足一般本安輸出電源的要求。此外可以同步外部時鐘，并能提供WEBENCHTM軟件工具支持也使得其應(yīng)用更加方便。固定開關(guān)頻率、電流控制模式利于減小輸出電容，并簡化外部頻率補償電路。內(nèi)部集成鎖相環(huán)振蕩器可同步于外部時鐘（在下降沿接通功率開關(guān)）。芯片具有默認的4.3 V輸入啟動電壓。內(nèi)部上拉電流源使得EN引腳浮動時可靠使能。通過自舉電容（連接于BOOT與SW之間）為高端開關(guān)管提供柵極驅(qū)動（芯片內(nèi)部集成有充電二極管以減少外圍元件），自舉電容上的電壓由欠壓鎖定電路監(jiān)控-當該電容上電壓小于預設(shè)值時關(guān)斷輸出開關(guān)。自動充電電路允許芯片工作于接近100%的占空比，因而應(yīng)用中最大輸出電壓接近于最小輸入電壓。最小輸出電壓等于內(nèi)置反饋基準即0.8 V。利用過壓保護比較器（OVP）使得輸出過壓瞬變被最小化。當此比較器被激活，高端開關(guān)將被關(guān)斷直到輸出電壓降至希望值的106%以下時。芯片內(nèi)置軟啟動電路，啟動時可以減緩輸出上升時間以減小浪涌電流和輸出電壓過沖。輸出過載狀態(tài)復位軟啟動定時器。過載消除后，軟啟動電路使得輸出電壓從過載異常電平恢復到正常輸出調(diào)節(jié)。頻率反饋電路在啟動及過載狀態(tài)減小開關(guān)頻率以幫助儲能電感器電流保持可控性。

3 應(yīng)用設(shè)計步驟

下面結(jié)合一個典型實例介紹芯片應(yīng)用設(shè)計過程[2-5]。少量參數(shù)作為系統(tǒng)級典型要求是必須的，如表2所示。

表2 典型參數(shù)設(shè)置表Tab.2 Typical parameter list

3.1 電路設(shè)計

這是一個典型的BUCK直流變換項目，其電路拓撲如圖3。其中R1/R2設(shè)定輸入啟動閾值，C4為自舉電容，D1/L1/C6/C7構(gòu)成輸出功率轉(zhuǎn)換電路，R5/R6設(shè)定輸出穩(wěn)壓值，R3設(shè)定開關(guān)頻率，另外還包括輸入電容C1/C2以及補償網(wǎng)絡(luò)R4/C5/C8。

3.2 電路參數(shù)確定

圖2 典型5V輸出的TPS54360應(yīng)用實例Fig.2 5 v output TPS54360 typical application examples

需要確定的電路參數(shù)與相關(guān)元件包括：開關(guān)頻率選擇；輸出電感選擇（LO）；輸出電容選擇；捕捉二極管；輸入電容；自舉電容；欠壓鎖定設(shè)置；輸出電壓與反饋電阻；補償網(wǎng)絡(luò)；非連續(xù)導通模式與Eco-模式分界；耗散功率估算。以下通過開關(guān)頻率選擇、輸出電感選擇、輸出電容選擇介紹相關(guān)設(shè)計過程。

1）開關(guān)頻率選擇

為了得到較小的調(diào)節(jié)器尺寸，通常會選擇較高的開關(guān)頻率，這樣電感器和輸出電容均可以取較小的值。開關(guān)頻率取決于內(nèi)部功率開關(guān)管導通時間、輸入與輸出電壓以及頻率反饋保護。公式（4）給出的最大開關(guān)頻率限值是基于最小時間可控性以及輸入到輸出的階梯下降比率。按以上設(shè)定的開關(guān)頻率，公式（4）的計算值將導致調(diào)節(jié)器進行脈沖跳躍以獲得最高輸入電壓時所要求的低占空比。公式（5）給出開關(guān)頻率上限值；在此頻率下電感器電流可以被反饋保護系統(tǒng)控制，輸出電壓VOUT將保持在VOUT（SC）即短路狀態(tài)輸出電壓。

選擇兩式計算值的較小結(jié)果。超過此上限值，將會發(fā)生脈沖跳越或者導致短路時過流保護失效。

芯片典型的最小導通時間tONmin等于135 ns。本例中輸入最大電壓60 V，輸出為5 V，由公式（4）可計算出在避免脈沖跳躍條件下允許的最高開關(guān)頻率為710 kHz。為保證輸出短路時迅速退出過流狀態(tài)，公式（5）給出頻率反饋保護對應(yīng)的最大開關(guān)頻率。本例中假定二極管壓降0.7 V，電感器電阻25 mΩ，開關(guān)導通電阻92 mΩ，電流上限4.7 A而短路狀態(tài)輸出壓降0.1 V，得到最高開關(guān)頻率為902 kHz。本設(shè)計選擇低于以上兩個數(shù)值的600 kHz作為從容運行之開關(guān)頻率。對應(yīng)的定時電阻可以依據(jù)公式（5）確定。本例中R3設(shè)定開關(guān)頻率，最接近數(shù)值取162 kΩ。

2）輸出電感選擇（LO）

公式（7）給出輸出電感的最小值。KIND為電感紋波電流與最大輸出電流的比率。它與輸出濾波電容有關(guān)。如果選擇低等效電阻（ESR）電容例如陶瓷型，KIND應(yīng)不超過0.3；而對于較高ESR電容，KIND應(yīng)不超過0.2。由于電感紋波電流是電流模式PWM控制系統(tǒng)的一部分，它應(yīng)該總是保持大于150 mA以保證PWM運行的穩(wěn)定性。特別對于寬范圍輸入電壓，較大的電感紋波電流能夠保證在最低輸入電壓時有足夠的調(diào)節(jié)器紋波電流。本例中取KIND=0.3，計算出最小電感值7.3μH，取最接近的標準系列8.2μH。相應(yīng)輸出電流紋波依公式（8）計算。注意不能超出電感的有效值RMS和飽和電流值上限。通過公式（9）和（10）可以計算出電感的RMS和峰值電流，本例中分別為3.5 A和3.97 A；所選擇的電感型號為W7447797820其飽和電流值和RMS值分別為5.8 A和5.05 A。

在電源上電、故障與負載瞬變狀態(tài)，電感電流將增加至調(diào)節(jié)器開關(guān)電流上限。因此合適的電感飽和電流閾值應(yīng)該不小于調(diào)節(jié)器開關(guān)電流上限，對于TPS54360，此極限值通常為5.5 A。

3）輸出電容選擇

輸出電容選擇的主要考量在于調(diào)制器極性，輸出紋波，以及調(diào)節(jié)器對負載大電流變化的響應(yīng)。電容值選擇基于這3個尺度的最嚴格要求。

首先考慮輸出電流瞬變響應(yīng)。公式（11）給出所需的最小電容值，其中ΔIOUT是輸出電流變化，而ΔVOUT是允許的輸出電壓變化。本例中，輸出瞬變響應(yīng)設(shè)計指標為4%輸出電壓變化，對應(yīng)負載電流階梯從0.875 A到2.625 A，即ΔIOUT=1.75A，ΔVOUT=0.04*5=0.2V。由此得到最小輸出電容為29.2μF。此處未考慮電容的ESR對于輸出電壓變化的影響，對于陶瓷電容，其ESR足夠小以至于可以忽略。但對于電解電容或者鉭電容，由于具有較大的ESR，對于負載階梯的影響必須考慮。公式（12）給出保證規(guī)定的輸出紋波電壓所需輸出電容的最大ESR。

電容器會由于時間、溫度以及直流偏置諸因素造成指標下降，本例使用2*47μF/10 V陶瓷電容，其ESR為5 mΩ。

電容器取值通常會考慮最大電流紋波狀態(tài)下元件性能劣化的可能性。某些電容指標規(guī)定最大紋波電流的均方根值（RMS），公式（13）用于計算此值，本例給出結(jié)果為 269 mA，所用輸出電容應(yīng)予滿足。

3.3 PCB設(shè)計

合理安排元器件布局，盡可能減小EMI效應(yīng)，兼顧散熱以及較小尺寸要求，下面給出典型的PCB[6]布線圖。其中藍色區(qū)域為地電平端，需要保證足夠面積和連通性以利于散熱和減小電磁干擾。C4的連接箔條在PCB背面。

圖3 印刷線路板布局Fig.3 Printed circuit board layout

4 結(jié)束語

曾經(jīng)使用多款集成開關(guān)芯片開發(fā)礦用電源，受困于現(xiàn)場惡劣工況環(huán)境特別是浪涌沖擊，故障率較高。利用此款芯片特有優(yōu)勢，重新開發(fā)的本安輸出型直流穩(wěn)壓電源實現(xiàn)了較高可靠性，同時由于效率提高，容量增大，使其應(yīng)用范圍得到進一步擴展。

[1]Texas InstrumentsIncorporated.TPS54360 60 V Input，3.5 A，Step Down DC-DCConverter with Eco-mode[D].2014.

[2]張興柱.開關(guān)電源功率變換器拓撲與設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]Pressman A，Taylor K.Switching Power Supply Design，3rd Ed[M].McGraw-Hill Professional，2010.

[4]Nair R，Bennett D.集成電路電源完整性分析與管理[D].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5]王衛(wèi)東.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[D].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]邵小桃.電磁兼容與PCB設(shè)計[M].北京：交通大學出版社，2009.