TPS6102X96%高效同步升压变换器

1特点

96%高效同步升压转换器

当输入电压超过额定输出电压时，输出电压保持稳定

设备静态电流：25微安（典型值）

输入电压范围：0.9 V至6.5 V

固定和可调输出电压选项，最高可达5.5 V

节能模式，在低输出功率下提高效率

低电池比较器

低EMI转换器（集成抗振铃开关）

停机期间断开负载

过热保护

3-mm×3-mm VSON-10小包装

2个应用程序

所有单电池、双电池和三电池碱性、镍镉或镍氢，或单电池锂离子或锂聚合物

电池供电产品

便携式音频播放器

PDA

手机

个人医疗产品

摄像头白色LED闪光灯

典型示意图

说明

TPS6102x系列设备为单电池、双电池或三电池碱性电池、镍镉或镍氢电池、单电池锂离子电池或锂聚合物电池供电的产品提供电源解决方案。使用单电池碱性电池时，输出电流可高达200毫安，并将其放电至0.9伏。该装置还可用于在500毫安时从3.3伏轨道或锂离子电池产生5伏电压。boost变换器是基于一个固定频率，脉冲宽度调制（PWM）控制器使用同步整流器，以获得最大的效率。在低负载电流时，转换器进入省电模式，以在宽负载电流范围内保持高效率。可禁用省电模式，强制转换器以固定的开关频率工作。升压开关中的最大峰值电流限制为800毫安、1500毫安或1800毫安，具体取决于设备的版本。

TPS6102x装置即使在输入电压超过额定输出电压时也能保持输出电压稳定。输出电压可以通过外部电阻分压器编程，也可以在芯片内部固定。可以禁用转换器，以尽量减少电池消耗。在停机期间，负载与蓄电池完全断开。实现了一种低EMI模式，以减少振铃，实际上，当转换器进入不连续传导模式时，降低辐射电磁能量。该设备封装在10针VSON电源板中™ 包装尺寸为3 mm x 3 mm（DRC）。

参数测量信息

概述

TPS6102x是基于一个固定频率，脉冲宽度调制（PWM）控制器使用同步整流，以获得最大的效率。监控NMOS开关上的输入电压、输出电压和电压降，并将其转发给调节器。因此，变换器工作条件的变化直接影响到占空比。在低负载电流下，转换器进入省电模式，以确保在宽负载电流范围内的高效率。可禁用省电模式，强制转换器以固定的开关频率工作。

功能框图

特征描述

控制器电路

该装置的控制器电路基于固定频率的多前馈控制器拓扑结构。监控NMOS开关上的输入电压、输出电压和电压降，并将其转发给调节器。因此，变换器工作条件的变化直接影响占空比，不能通过控制回路和误差放大器采取间接和缓慢的方式。由误差放大器决定的控制回路只需处理小信号误差。它的输入是FB引脚上的反馈电压，或者在固定输出电压的情况下，是内部电阻分压器上的电压。通过与内部参考电压的比较，得到了准确稳定的输出电压。

NMOS开关的峰值电流也被感测以限制流过开关和电感的最大电流。内部温度传感器防止设备过热，以防过度功耗。

同步整流器

该器件集成了N沟道和P沟道MOSFET晶体管，实现了同步整流。由于用低RDS（ON）PMOS开关代替了常用的离散肖特基整流器，功率转换效率达到96%。为了避免由于NMOS开关中的高电流而导致接地偏移，使用了两个独立的接地引脚。所有控制功能的参考是GND引脚。NMOS开关的源连接到PGND。两个接地必须仅在靠近接地引脚的一个点连接到PCB上。在变频器停机期间，使用一个特殊的电路将负载从输入端断开。在传统的同步整流电路中，高边PMOS的后门二极管在关断时正向偏置，允许电流从电池流向输出。然而，该装置使用一个特殊的电路，该电路接收高侧PMOS的后门二极管的阴极，并在调节器未启用时将其与电源断开（EN=低）。

此功能对系统设计工程师的好处是，在关闭转换器期间电池不会耗尽。无需在设计中添加其他部件，以确保蓄电池与转换器输出断开连接。

下调

一般来说，升压变换器只调节高于输入电压的输出电压。这个装置的工作方式不同。例如，它能够在输出端调节3.0 V，在输入端使用两个新的碱性电池，电池总电压为3.2 V。另一个例子是从一个完全充电的锂离子电池（输出电压为4.2 V）为正向电压为3.6 V的白色LED供电。以正确控制这些应用，实现了下变频模式。

如果输入电压达到或超过输出电压，转换器将切换到转换模式。在这种模式下，控制电路改变了整流PMOS的行为。它将PMO上的电压降设置为调节输出电压所需的高值。这意味着转换器中的功率损耗增加。这必须考虑到热因素。只要输入电压降到输出电压以下约50毫伏，下变频模式就会自动关闭。为了在下变频模式下正常工作，输出电压不应编程为低于可施加的最大输入电压的50%。

设备启用

当EN设置为高时，设备投入运行。当EN设置为GND时，它将进入关机模式。在关机模式下，调节器停止切换，包括低电池比较器在内的所有内部控制电路关闭，负载与输入隔离（如同步整流器部分所述）。这也意味着在停机期间，输出电压可能低于输入电压。在转换器的启动过程中，占空比和峰值电流受到限制，以避免从电池中吸取高峰值电流。

特征描述（续）

欠压闭锁

如果VBAT上的电源电压低于约0.8 V，则欠压锁定功能可防止设备启动。在运行和电池放电时，如果VBAT上的电压降到大约0.8 V以下，设备将自动进入关机模式。此欠压锁定功能的实现是为了防止转换器出现故障。

软启动和短路保护

当设备启动时，内部启动循环从第一步即预充电阶段开始。在预充电期间，整流开关打开，直到输出电容器充电到接近输入电压的值。整流开关在该阶段受到电流限制。电流极限随输出电压的增大而增大。该电路还限制在输出短路条件下的输出电流。图12显示了特定输入电压的典型预充电电流与输出电压：

预充电和短路电流

将输出电容器充电到输入电压后，设备开始切换。如果输入电压低于1.4V，则设备以50%的固定占空比工作，直到输出电压达到1.4V。然后根据输入输出电压比设置占空比。在输出电压达到其标称值之前，升压开关的电流限制设置为其标称值的40%，以避免在启动过程中电池出现高峰值电流。一旦达到输出电压，调节器就开始控制，开关电流限制被设置回100%。

低电池检测电路LBI/LBO

低电池检测电路通常用于监测电池电压，并在电池电压降至用户设置的阈值电压以下时生成错误标志。此功能仅在设备启用时才激活。当设备被禁用时，LBO引脚是高阻抗的。LBI时的开关阈值为500毫伏。在正常运行期间，当在LBI处施加的电压高于阈值时，LBO保持在高阻抗。当LBI的电压低于500 mV时，它处于低激活状态。

检测电路切换时的电池电压，可通过连接到LBI引脚的电阻分压器进行编程。电阻分压器将电池电压降低至500 mV的电压水平，然后将其与LBI阈值电压进行比较。LBI引脚具有10 mV的内置滞后。有关LBI阈值编程的更多详细信息，请参阅应用程序部分。如果不使用低电量检测电路，则LBI引脚应连接到GND（或VBAT），而LBO引脚可以保持未连接状态。不要让LBI销浮动。

特征描述（续）

低EMI开关

该装置集成了一个电路，当转换器进入不连续电流模式时，消除通常出现在SW节点上的振铃。在这种情况下，通过电感器的电流变为零，并且整流PMOS开关被关闭，以防止反向电流从输出电容流回电池。由于储存在半导体和电感器的寄生元件中的剩余能量，SW管脚上会产生振铃。集成防振开关将此电压钳制到VBAT，从而抑制振铃。

设备功能模式

欠压闭锁

如果VBAT上的电源电压低于约0.8 V，则欠压锁定功能可防止设备启动。在运行和电池放电时，如果VBAT上的电压降到大约0.8 V以下，设备将自动进入关机模式。此欠压锁定功能的实现是为了防止转换器出现故障。

节电模式

PS引脚可用于选择不同的操作模式。要启用节能，必须将PS设置为低。为了提高轻载时的效率，采用了节电模式。在省电模式下，只有当输出电压跳到设定的阈值电压以下时，转换器才会工作。它用一个或多个脉冲增加输出电压，一旦输出电压超过设定的阈值电压，就再次进入省电模式。通过将PS设置为VBAT，可以禁用此省电模式。在下变频模式下，省电模式始终处于激活状态，设备不能在轻负载下强制进行固定频率操作。

编程

输出电压编程

TPS61020型DC-DC变换器的输出电压可通过外部电阻分压器进行调节。FB引脚的典型电压值为500 mV。输出电压的最大建议值为5.5 V。通过电阻分压器的电流应比进入FB引脚的电流大100倍左右。FB引脚的典型电流为0.01微安，R4上的电压通常为500毫伏。基于这两个值，R4的建议值应低于500 kΩ，以便将分压器电流设置为1微安或更高。由于内部补偿电路，该电阻器的值应在200 kΩ的范围内。由此，电阻R3的值，取决于所需的输出电压（VO），可使用方程式1计算：

例如，如果需要3.3 V的输出电压，则R3应选择1.0 MΩ电阻器。如果出于任何原因，选择的R4值明显低于200 kΩ，建议与R3并联的附加电容，以防设备显示输出电压调节不稳定。所需电容值可使用公式2轻松计算

编程LBI/LBO阈值电压

通过电阻分压器的电流应该比进入LBI引脚的电流大100倍左右。进入LBI引脚的典型电流为0.01微安，穿过R2的电压等于芯片上产生的LBI电压阈值，该阈值的值为500毫伏。因此，R2的建议值在500 kΩ的范围内。由此，电阻R1的值，取决于所需的最小电池电压VBAT，可使用方程式3计算。

编程（续）

低电量电池管理器的输出是一个简单的开漏输出，如果专用电池电压低于LBI上的编程阈值电压，则该输出将变为低激活状态。输出需要一个推荐值为1 MΩ的上拉电阻器。如果不使用，LBO引脚可以保持浮动或绑定到GND。

应用与实现

注意

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

申请信息

这些设备设计为在0.9 V（车辆识别号上升UVLO为1.2 V）和6.5 V之间的输入电压供电范围内工作，最大开关电流限制为1.8 a。这些设备在中到重负载条件下以脉宽调制模式工作，在轻负载电流下以省电模式工作。在脉宽调制模式下，TPS6102x转换器通常以600 kHz的标称开关频率工作。随着负载电流的减小，变换器进入节电模式，降低开关频率，减小IC静态电流，在整个负载电流范围内实现高效率。将PS引脚连接到逻辑高电平时，可禁用省电模式，强制转换器以固定的开关频率工作。

典型应用

TPS6102x在1.2-V至6.5-V输入范围和800毫安输出电流下的典型应用。

设计要求

TPS6102x DC-DC转换器适用于由典型终端电压介于0.9 V和6.5 V之间的单电池至三电池碱性、镍镉、镍氢电池供电的系统。它们也可用于由典型电压介于2.5 V和4.2 V之间的单电池锂离子或锂聚合物供电的系统。此外，任何其他典型输出电压介于0.9 V和6.5 V之间的电压源都可以为使用TPS6102x的系统供电。

详细设计程序

感应器选择

升压变换器通常需要两个主要的无源元件来储存能量。在输出端需要一个升压电感和一个存储电容。要选择升压电感，建议在所选配置中，使可能的电感峰值电流低于电源开关的电流限制阈值。例如，在5v的输出电压下，TPS61029开关的电流极限阈值为1800ma。通过电感器和开关的最大峰值电流取决于输出负载、输入（VBAT）和输出电压（VOUT）。最大平均电感电流的估算可使用方程式4：

电源建议

该输入电源应以TPS6102x的额定值进行良好调节。如果输入电源距离设备超过几英寸，除了陶瓷旁路电容器外，可能还需要额外的大容量电容。典型的选择是使用值为47μF的电解电容器或钽电容器。

布局指南

对于所有的开关电源，版图设计是设计中的一个重要步骤，特别是在高峰值电流和高开关频率下。如果布局不仔细，调节器可能会出现稳定性问题和电磁干扰问题。因此，对于主电流路径和电源接地轨迹，应使用宽和短的轨迹。电源接地采用同一接地节点，控制接地采用不同的接地节点，以减小地面噪声的影响。在靠近IC的一个接地引脚的任何位置连接这些接地节点。所有boost变换器最关键的电流路径是从开关FET，通过同步FET，然后是输出电容，再回到开关FET的接地。因此，两个输出电容器及其迹线都应放置在同一个电路板层上，尽可能靠近集成电路的VOUT和PGND管脚。特别是在4.5v以上的输出电压下，将RC缓冲器从SW引脚添加到PGND引脚可能有助于进一步降低该临界电流路径的寄生电感影响。有关实现缓冲的详细信息，请参阅应用程序报告（SLVA255）。此外，输入电容器应尽可能靠近集成电路的VBAT和PGND引脚之间。将电感器放在靠近开关管脚的位置，有助于提高效率和最小化电磁干扰。为了布置控制地线，建议也使用与电源地线分开的短线路。这样可以避免由于电源接地电流和控制接地电流的叠加而产生的接地偏移问题。

热因素

在低剖面和细间距表面贴装封装中实现集成电路通常需要特别注意功耗。许多与系统相关的问题，如热耦合、气流、增加的散热片和对流表面，以及其他发热组件的存在，都会影响给定组件的功耗限制。

下面列出了提高热性能的三种基本方法。

提高PCB设计的功耗能力

改善组件与PCB的热耦合

在系统中引入气流

TPS6102x器件的最大建议结温（TJ）为125°C。如果电源板是焊接的，10针VSON 3×3封装（DRC）的热阻为RΘ=47.2°C/W。规定的调节器运行可确保最高环境温度TA为85°C。因此，最大功耗约为847兆瓦。如果应用程序的最高环境温度较低，则可以耗散更多的功率。青年成就组织

TJ（最大值）-TA 125°-C 85°C

PD（最大）===847兆瓦

RqJA 47.2摄氏度/瓦（8）