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TPS54325装置是一种自适应的实时d1 d-cap2模式

时间:2019-6-11, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特点说明TPS54325装置是一种自适应的实时d1 d-cap2模式,可实现快速瞬态cap2模式同步降压变换器。相应的TPS54325设备使系统设计者能够 低输出纹波,并允许陶瓷输出完成各种终端设备的功率电容器总线稳压器套件,具有低成本、低组件计数、低待机电流解决方案。宽VCC输入电压范围:4.5 V至18 V宽VIN输入电压范围:2.0 V至18 Vv TPS54325的主控制回路使用DCAP2模式控制,提供非常快的输出电压范围:0.76 V至5.5 V瞬态响应,无外部元件。为TPS54325优化的高效集成FET还具有一个专用电路,能够实现较低的占空比应用–120 M(高设备适应低等效串联侧)和70 M(低侧)电阻(ESR)输出电容器,例如高效,停机时低于10μA的POSCAP或SP-CAP,超低ESR陶瓷电容器。该装置的工作电压范围为4.5-V至18-V初始带隙基准精度高VCC输入,以及2.0-V至18-V VIN输入功率可调软启动电源电压。输出电压可在0.76V至5.5V之间进行预偏压软启动。该装置还具有可调的缓慢启动时间和700kHz开关频率(FSW)功率良好的功能。TPS54325可在一个周期一个周期地过电流限制14针HTSSOP包中提供,并设计成在-40°C至85°C范围内输出功率良好。2个应用装置信息(1)零件号包体尺寸(NOM)广泛应用于低压系统TPS54325 HTSSOP(14)5.00 mm×4.40 mm–数字电视电源。

概述

TPS54325是一个3-A同步降压(降压)转换器,带有两个集成的N通道MOSFET。它使用D-Cap2模式控制运行。D-Cap2控制器的快速瞬态响应降低了满足特定性能水平所需的输出电容。专有内部电路允许使用低ESR输出电容器,包括陶瓷和特殊聚合物类型。

功能框图

功能描述

软启动和预偏压软启动TPS54325具有可调软启动。当en针变高时,2.0A电流开始给从ss针连接到GND的电容器充电。在启动过程中,输出电压保持平稳控制。慢启动时间的方程式如方程式1所示。VFB电压为0.765 V,SS管脚源电流为2μA。

TPS54325包含一个独特的电路,以防止在输出预偏置的情况下,在启动期间从输出中拉出电流。当软启动指令电压高于预偏压水平(内部软启动大于反馈电压(VFB))时,控制器通过以较窄的开启时间启动第一个低侧FET栅极驱动脉冲来缓慢地激活同步整流。然后,它按周期递增时间,直到它与(1-d)指定的时间一致,其中d是转换器的占空比。该方案防止了预偏压输出的初始下沉,保证了输出电压(VO)的启动和平稳上升,使控制回路从预偏压启动过渡到正常运行。

电源良好

TPS54325具有良好的输出功率。软启动完成后,启动电源良好功能。如果输出电压在目标值的-10%以内,内部比较器检测到电源良好状态,电源良好信号变高。连接在PG和VREG5之间的RPG电阻值要求为20 kΩ至150 kΩ。如果反馈电压低于目标值的15%,则经过10μs的内部延迟后,功率良好信号变低。

输出放电控制

当en低或控制器被保护功能(OVP、UVP、UVLO和热关机)关闭时,TPS54325释放输出。该器件使用连接到VO和PGND的内部50ΩMOSFET放电输出。在输出放电操作期间,内部低压侧MOSFET不会打开,以避免在输出端产生负电压的可能性。

电流保护

输出过电流保护(OCP)采用逐周期谷值检测控制电路实现。开关电流通过测量开关引脚和GND之间的低压侧FET开关电压来监控。该电压与开关电流成比例。为了提高精度,电压传感采用温度补偿。在高压侧FET开关的导通时间内,开关电流以线性速率增加,该线性速率由VIN、VOUT、导通时间和输出电感值决定。在低侧FET开关的接通时间内,该电流线性下降。开关电流的平均值是负载电流输出。如果测得的电压高于与电流限制成比例的电压,则在低压侧接通期间,装置会持续监测与开关电流成比例的低压侧FET开关电压。

转换器保持低压侧开关打开,直到测量到的电压低于与开关周期终止和新开关周期开始时的电流限制相对应的电压。在随后的开关周期中,接通时间被设置为一个固定值,并且以相同的方式监测电流。

这种过电流保护有一些重要的考虑。负载电流是电感峰间电流的一半,高于过电流阈值。此外,当电流受到限制时,输出电压趋于下降,因为所需的负载电流可能高于转换器的可用电流。这可能导致输出欠压保护电路被激活。当过电流条件消除后,输出电压将恢复到规定值。这种保护是非闭锁的。

功能描述(续)

过欠压保护

TPS54325监控一个电阻分配的反馈电压,以检测过电压和欠电压。当反馈电压高于目标电压的120%时,OVP比较器输出变高,电路锁定高侧MOSFET驱动器关闭,低侧MOSFET打开。

当反馈电压低于目标电压的70%时,uvp比较器输出变高,内部uvp延迟计数器开始工作。250μs后,器件锁定内部顶部和底部MOSFET。此功能启用约1.7 x软启动时间。

uvlo保护TPS54325具有欠压锁定保护(uvlo),用于监测VREG5引脚的电压。当VREG5电压低于uvlo阈值电压时,TPS54325关闭。这是非闩锁保护。

热停堆

TPS54325监测自身温度。如果温度超过阈值(通常为150°C),则关闭设备。这是非闩锁保护。

装置功能模式

脉宽调制操作

TPS54325的主控制回路是一个支持专有D-Cap2™模式控制的自适应实时脉宽调制(PWM)控制器。D-Cap2™模式控制将恒定的实时控制与内部补偿电路相结合,以实现伪固定频率和低外部元件计数配置,同时具有低ESR和陶瓷输出电容器。它是稳定的,即使在输出几乎没有波纹。

在每个周期的开始,高压侧MOSFET被打开。此MOSFET在内部单次触发计时器过期后关闭。这种一次触发定时器由转换器输入电压、VIN和输出电压VO设置,以在输入电压范围内保持伪固定频率,因此被称为自适应定时控制。当反馈电压低于参考电压时,一次定时器复位,高压侧MOSFET再次打开。在参考电压上增加一个内部斜坡来模拟输出纹波,从而消除了D-Cap2™模式控制对ESR感应输出纹波的需求。

脉宽调制频率和自适应接通时间控制

TPS54325采用自适应实时控制方案,没有专用的机载振荡器。TPS54325通过使用输入电压和输出电压设置开启时间一次触发定时器,以700 kHz的伪恒定频率运行。接通时间与输入电压成反比,与输出电压成反比,因此,当占空比为VOUT/VIN时,频率是恒定的。

VIN小于4.5 V时的操作

建议装置在输入电压高于4.5 V的情况下运行。典型的VIN UVLO阈值为3.7 V,装置可以在输入电压低于UVLO电压的情况下运行。当输入电压低于实际的uvlo电压时,设备不切换。如果en-pin从外部向上拉或保持浮动,则当VIN-pin通过uvlo阈值时,设备将激活。当启动慢启动序列时,开始切换。

采用EN控制的操作

启用阈值电压为1.6 V(典型值)。当en-pin保持在该电压以下时,即使VIN-pin高于uvlo阈值,设备也会被禁用并禁用切换。在此状态下,IC静态电流减小。如果在VIN引脚高于uvlo阈值时,en电压高于阈值,则设备将激活。然后启用切换并启动慢启动序列。

功能描述(续)

过欠压保护

TPS54325监控一个电阻分配的反馈电压,以检测过电压和欠电压。当反馈电压高于目标电压的120%时,OVP比较器输出变高,电路锁定高侧MOSFET驱动器关闭,低侧MOSFET打开。

当反馈电压低于目标电压的70%时,uvp比较器输出变高,内部uvp延迟计数器开始工作。250μs后,器件锁定内部顶部和底部MOSFET。此功能启用约1.7 x软启动时间。

uvlo保护TPS54325具有欠压锁定保护(uvlo),用于监测VREG5引脚的电压。当VREG5电压低于uvlo阈值电压时,TPS54325关闭。这是非闩锁保护。

热停堆

TPS54325监测自身温度。如果温度超过阈值(通常为150°C),则关闭设备。这是非闩锁保护。

装置功能模式

脉宽调制操作

TPS54325的主控制回路是一个支持专有D-Cap2™模式控制的自适应实时脉宽调制(PWM)控制器。D-Cap2™模式控制将恒定的实时控制与内部补偿电路相结合,以实现伪固定频率和低外部元件计数配置,同时具有低ESR和陶瓷输出电容器。它是稳定的,即使在输出几乎没有波纹。

在每个周期的开始,高压侧MOSFET被打开。此MOSFET在内部单次触发计时器过期后关闭。这种一次触发定时器由转换器输入电压、VIN和输出电压VO设置,以在输入电压范围内保持伪固定频率,因此被称为自适应定时控制。当反馈电压低于参考电压时,一次定时器复位,高压侧MOSFET再次打开。在参考电压上增加一个内部斜坡来模拟输出纹波,从而消除了D-Cap2™模式控制对ESR感应输出纹波的需求。

脉宽调制频率和自适应接通时间控制

TPS54325采用自适应实时控制方案,没有专用的机载振荡器。TPS54325通过使用输入电压和输出电压设置开启时间一次触发定时器,以700 kHz的伪恒定频率运行。接通时间与输入电压成反比,与输出电压成反比,因此,当占空比为VOUT/VIN时,频率是恒定的。

VIN小于4.5 V时的操作

建议装置在输入电压高于4.5 V的情况下运行。典型的VIN UVLO阈值为3.7 V,装置可以在输入电压低于UVLO电压的情况下运行。当输入电压低于实际的uvlo电压时,设备不切换。如果en-pin从外部向上拉或保持浮动,则当VIN-pin通过uvlo阈值时,设备将激活。当启动慢启动序列时,开始切换。

采用EN控制的操作

启用阈值电压为1.6 V(典型值)。当en-pin保持在该电压以下时,即使VIN-pin高于uvlo阈值,设备也会被禁用并禁用切换。在此状态下,IC静态电流减小。如果在VIN引脚高于uvlo阈值时,en电压高于阈值,则设备将激活。然后启用切换并启动慢启动序列。

应用与实施

注:以下应用部分中的信息不属于TI组件规范的一部分,且TI不保证其准确性或完整性。TI的客户负责确定组件是否适合其用途。客户应验证和测试其设计实现,以确认系统功能。

申请信息

TPS54325装置通常用作降压转换器,它将4.5 V至18 V范围内的电压转换为较低的电压。WebEnch软件可帮助设计和分析电路。

典型应用

设计实例示意图

详细设计程序

输出电压电阻器选择

输出电压由从输出节点到VFB引脚的电阻分压器设置。建议使用1%的公差或更好的分压电阻。从公式2和公式3开始计算VOUT。为了在非常轻的负载下提高效率,考虑使用更大的电阻值,电阻过高会更容易受到噪声的影响,而来自VFB输入电流的电压误差会更明显。

对于0.76 V至2.5 V的输出电压:

对于2.5 V以上的输出电压:

其中•Vout_set=目标Vout电压

输出滤波器选择

与TPS54325一起使用的输出滤波器是一个LC电路。此LC滤波器在以下位置具有双极:

在低频时,整个环路增益由输出设定点电阻分压器网络和TPS54325的内部增益设置。低频相位是180度。在输出滤波器极点频率下,增益以每十年-40分贝的速率衰减,相位迅速下降。D-cap2引入了一个高频零点,将增益衰减降低到每十年-20分贝,并将相位增加到零频率以上十年的90度。为输出滤波器选择的电感器和电容器必须进行选择,以使方程4的双极位于高频零点以下,但距离足够近,以使提供的高频零点相位增强为稳定电路提供足够的相位裕度。为了满足这一要求,使用表2中推荐的值。

可选

对于大于或等于1.8 V的更高输出电压,可通过与R1并联的前馈电容器(C4)来实现额外的相位提升。

电感的峰间纹波电流、峰值电流和均方根电流用式5、式6和式7计算。电感器的饱和电流额定值必须大于计算出的峰值电流,而rms或加热电流额定值必须大于计算出的rms电流。

fsw使用700 kHz。确保所选电感器的额定值符合方程式6的峰值电流和方程式7的均方根电流。

本设计实例中,计算的峰值电流为3.47A,计算的均方根电流为3.01A。所用电感器为TDK SPM6530-1R5M100,峰值电流额定值为11.5A,均方根电流额定值为11A。

电容值和ESR决定了输出电压纹波的数量。TPS54325适用于陶瓷或其他低ESR电容器。建议值的范围为22微F至68微F。使用公式8确定输出电容器所需的均方根电流额定值。

本设计使用两个TDK C3216x5r0J226M 22-微F输出电容器。典型的ESR为2 MΩ。计算的均方根电流为0.271 A,每个输出电容器的额定电流为4 A。

输入电容器选择

TPS54325需要一个输入去耦电容器,根据应用情况需要一个大容量电容器。对于去耦电容器,建议使用10 mF以上的陶瓷电容器。建议在插脚14与接地之间增加一个0.1-微F电容器,以提高过电流限制功能的稳定性。电容器的额定电压必须大于最大输入电压。

自举电容器的选择必须在VBST至SW的插脚之间连接一个0.1μF的陶瓷电容器,以便正确操作。建议使用陶瓷电容器。

电源建议

该装置设计用于在4.5 V至18 V的输入电压范围内工作。该输入电源应调节良好。如果输入电源距离转换器超过几英寸,除了陶瓷旁路电容器外,还可能需要额外的大容量电容。一个100μF的电解电容器是一个典型的选择。

布局

布局指南1。保持输入开关电流回路尽可能小。2。使sw节点尽可能小和短,以尽量减少寄生电容和电感,并尽量减少辐射发射。开尔文连接应该从输出端连接到设备的反馈针。三。使模拟和非开关元件远离开关元件。4。从信号接地到电源接地进行单点连接。5。不允许开关电流在设备下方流动。6。保持VIN和PGND的模式线宽。7。设备的外露垫必须用焊料连接到PGND上。8。VREG5电容器应放置在装置附近,并连接PGND。9。输出电容器应连接到广泛的pgnd模式。10。电压反馈回路应尽可能短,最好有接地屏蔽。11。连接到VFB引脚的分压器的下电阻应连接到SGND。12。对于VIN、SW和PGND连接,最好提供足够的VIA。13。VIN、SW和PGND的印刷电路板图案应尽可能宽。14。如果VIN和VCC短路,VIN和VCC模式需要与宽模式线路连接。15。VIN电容器应尽可能靠近设备。

布局示例

热因素

此PowerPad™包包含一个外露的热垫,设计用于连接外部散热器。热垫必须直接焊接到印刷板(PCB)上。焊接后,印刷电路板可用作散热器。此外,通过使用热通孔,热垫可以直接连接到设备电气原理图中所示的适当的铜平面上,或者也可以连接到设计到PCB中的特殊散热结构上。该设计优化了集成电路(IC)的传热。

有关PowerPad™软件包以及如何利用其散热能力优势的更多信息,请参阅:•PowerPad™made easy(SLMA004)。•PowerPad™热增强包(SLMA002)。

设备和文档支持

第三方产品免责声明

构成对此类产品或服务适用性的认可,或对此类产品或服务单独或与任何TI产品或服务组合的保证、陈述或认可。

开发支持

相关文件•焊接绝对最大额定值(snoa549)。•PowerPad™易于使用(SLMA004)。•PowerPad™热增强包(SLMA002)。•半导体和集成电路封装热测量(SPRA953)。

商标D-Cap2、PowerPad是德州仪器的商标。蓝光光盘是蓝光光盘的商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产。12.4静电放电注意事项

这些设备具有有限的内置ESD保护。在存储或处理过程中,导线应被短路在一起或放置在导电泡沫中,以防止对MOS栅极的静电损坏。

SLYZ022-TI术语表。本术语表列出并解释术语、缩略语和定义。

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