高效電源轉換芯片TPS54360及其應用

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境電壓變化范圍較大、浪涌沖擊時有發生的特殊性，對相應直流穩壓電源的輸入特性要求較高。選擇一款高效DC/DC功率轉換芯片，兼有優良的輸入特性，對于開發礦用本安輸出型直流穩壓電源很有意義。比較現有多種型號同類產品，美國TI公司的新型BUCK集成電路TPS54360（以下簡稱芯片）具有明顯優勢，很適合我們的開發需要。

1 原理及外部接線

芯片的簡化應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）為開關振蕩器頻率選擇端；COMP（6腳）為驅動特性優化端（頻率補償）。另外還提供一個增強散熱焊盤（背面）P-PAD（9腳）。

2 技術參數與特點

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

與同類集成電路比較，更加寬廣的頻率調節范圍（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化；超寬范圍輸入電壓（4.5～60 V）以及可調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當無負載即開關停用時，當芯片不被使能，電源電流僅為2μA）輔以TI創新型脈沖跳躍Eco-模式使得其轉換效率明顯提高（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持續電流、4.5 A最小峰值感應器電流限值，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用更加方便。固定開關頻率、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。內部集成鎖相環振蕩器可同步于外部時鐘（在下降沿接通功率開關）。芯片具有默認的4.3 V輸入啟動電壓。內部上拉電流源使得EN引腳浮動時可靠使能。通過自舉電容（連接于BOOT與SW之間）為高端開關管提供柵極驅動（芯片內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控-當該電容上電壓小于預設值時關斷輸出開關。自動充電電路允許芯片工作于接近100%的占空比，因而應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，高端開關將被關斷直到輸出電壓降至希望值的106%以下時。芯片內置軟啟動電路，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節。頻率反饋電路在啟動及過載狀態減小開關頻率以幫助儲能電感器電流保持可控性。

3 應用設計步驟

下面結合一個典型實例介紹芯片應用設計過程[2-5]。少量參數作為系統級典型要求是必須的，如表2所示。

表2 典型參數設置表Tab.2 Typical parameter list

3.1 電路設計

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設定輸入啟動閾值，C4為自舉電容，D1/L1/C6/C7構成輸出功率轉換電路，R5/R6設定輸出穩壓值，R3設定開關頻率，另外還包括輸入電容C1/C2以及補償網絡R4/C5/C8。

3.2 電路參數確定

圖2 典型5V輸出的TPS54360應用實例Fig.2 5 v output TPS54360 typical application examples

需要確定的電路參數與相關元件包括：開關頻率選擇；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；欠壓鎖定設置；輸出電壓與反饋電阻；補償網絡；非連續導通模式與Eco-模式分界；耗散功率估算。以下通過開關頻率選擇、輸出電感選擇、輸出電容選擇介紹相關設計過程。

1）開關頻率選擇

為了得到較小的調節器尺寸，通常會選擇較高的開關頻率，這樣電感器和輸出電容均可以取較小的值。開關頻率取決于內部功率開關管導通時間、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。按以上設定的開關頻率，公式（4）的計算值將導致調節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）給出開關頻率上限值；在此頻率下電感器電流可以被反饋保護系統控制，輸出電壓VOUT將保持在VOUT（SC）即短路狀態輸出電壓。

選擇兩式計算值的較小結果。超過此上限值，將會發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頻率為710 kHz。為保證輸出短路時迅速退出過流狀態，公式（5）給出頻率反饋保護對應的最大開關頻率。本例中假定二極管壓降0.7 V，電感器電阻25 mΩ，開關導通電阻92 mΩ，電流上限4.7 A而短路狀態輸出壓降0.1 V，得到最高開關頻率為902 kHz。本設計選擇低于以上兩個數值的600 kHz作為從容運行之開關頻率。對應的定時電阻可以依據公式（5）確定。本例中R3設定開關頻率，最接近數值取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。如果選擇低等效電阻（ESR）電容例如陶瓷型，KIND應不超過0.3；而對于較高ESR電容，KIND應不超過0.2。由于電感紋波電流是電流模式PWM控制系統的一部分，它應該總是保持大于150 mA以保證PWM運行的穩定性。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節器紋波電流。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，電感電流將增加至調節器開關電流上限。因此合適的電感飽和電流閾值應該不小于調節器開關電流上限，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制器極性，輸出紋波，以及調節器對負載大電流變化的響應。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。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，輸出瞬變響應設計指標為4%輸出電壓變化，對應負載電流階梯從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下元件性能劣化的可能性。某些電容指標規定最大紋波電流的均方根值（RMS），公式（13）用于計算此值，本例給出結果為 269 mA，所用輸出電容應予滿足。

3.3 PCB設計

合理安排元器件布局，盡可能減小EMI效應，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 結束語

曾經使用多款集成開關芯片開發礦用電源，受困于現場惡劣工況環境特別是浪涌沖擊，故障率較高。利用此款芯片特有優勢，重新開發的本安輸出型直流穩壓電源實現了較高可靠性，同時由于效率提高，容量增大，使其應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.開關電源功率變換器拓撲與設計[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：電子工業出版社，2013.

[5]王衛東.模擬電子技術基礎[D].北京：電子工業出版社，2010.

[6]邵小桃.電磁兼容與PCB設計[M].北京：交通大學出版社，2009.