德州儀器TPS51113和TPS51163同步降壓控制器：特性、設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。德州儀器（TI）推出的TPS51113和TPS51163同步降壓控制器，以其豐富的特性和出色的性能，在服務(wù)器、桌面計算機子系統(tǒng)電源等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。今天，我們就來深入了解這兩款控制器。

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產(chǎn)品概述

TPS51113和TPS51163是成本優(yōu)化、功能豐富的單通道同步降壓控制器。它們能在4.5 - 13.2V的單一電源下工作，可將低至1.5V的輸入電壓進行轉(zhuǎn)換。TPS51113的開關(guān)頻率固定為300kHz，TPS51163則為600kHz。這兩款控制器采用電壓模式控制，支持輸出預(yù)偏置啟動，還具備可編程過流保護、欠壓/過壓保護以及電源正常指示等功能。

特性亮點

• 靈活的電源軌：支持5V至12V的電源輸入，參考電壓為800mV ± 0.8%。
• 過流保護：采用低端 (R_{DS(on)}) 電流感應(yīng)，具有用戶可編程閾值。通過連接從LDRV_OC引腳到GND的外部電阻來設(shè)置過流閾值。
• 軟啟動和自校準：當(dāng)VDD高于4.3V且COMP_EN引腳釋放時，控制器進入兩階段啟動序列。第一階段完成自校準并禁止FET開關(guān)，第二階段開始軟啟動并啟用開關(guān)，內(nèi)部參考電壓逐漸升至800mV。
• 欠壓/過壓保護：通過專用的VOS輸入設(shè)置輸出欠壓和過壓保護。當(dāng)VOS電壓低于600mV時，欠壓保護觸發(fā)；高于1V時，過壓保護激活。
• 電源正常指示：PGOOD輸出在輸出電壓處于目標(biāo)范圍內(nèi)時為高電平，當(dāng)輸出電壓偏離目標(biāo)值±10%時變?yōu)榈碗娖?，返回?%范圍內(nèi)時再次變?yōu)楦唠娖健?/li>

技術(shù)參數(shù)

絕對最大額定值

涵蓋輸入電壓范圍、各引腳電壓范圍、工作結(jié)溫及存儲結(jié)溫等參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為 -0.3至30V，工作結(jié)溫范圍為 -40至125°C。

電氣特性

在 -40°C至85°C的環(huán)境溫度下，(V_{VDD}=12Vdc) 時，各項參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定。如參考電壓在0°C至85°C時為794 - 806mV，在 -40°C至85°C時為792 - 808mV。

設(shè)計要點

外部零件選擇

• 電感選擇：電感值決定電流紋波大小，進而影響輸出電壓紋波。需在低紋波電流和低電感值之間取得平衡，可根據(jù)公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}{V{IN} × R{IPPLE} × f{SW}}) 計算所需電感值。
• 輸出電容計算：根據(jù)輸出紋波電壓和負載瞬態(tài)響應(yīng)要求，可通過公式 (Delta V=I{RIPPLE} times(ESR+frac{1}{8 × C{OUT} × f_{SW}})) 計算輸出電容值。同時，還需考慮負載瞬態(tài)響應(yīng)需求，計算最小輸出電容。
• 輸入電容選擇：根據(jù)所需輸入電壓紋波，通過公式 (V{RIPPLE}(C{IN})=frac{I{OUT} × V{OUT}}{C{IN(min)} × V{IN} × f_{SW}}) 選擇合適的輸入電容。
• MOSFET選擇：選擇合適的MOSFET對實現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。需考慮MOSFET的電壓和電流額定值以及功率損耗，分別計算高側(cè)MOSFET和同步整流MOSFET的功率損耗。

反饋回路補償

由于采用電壓模式控制，推薦使用Type III網(wǎng)絡(luò)進行環(huán)路補償。通過選擇合適的參數(shù)設(shè)置極點和零點，以實現(xiàn)高相位裕度和快速響應(yīng)。

布局考慮

• 信號地和功率地應(yīng)使用單獨的銅平面，敏感節(jié)點連接到信號地平面，高功率噪聲電路連接到功率地平面，兩者在器件附近通過單一路徑連接。
• 靠近VDD和GND引腳放置至少0.1μF的陶瓷電容，推薦電容值為1μF。
• PowerPAD應(yīng)電氣連接到GND。
• 調(diào)節(jié)電壓的走線應(yīng)遠離開關(guān)組件，偏置電阻應(yīng)盡可能靠近FB和GND引腳。
• 功率級組件布局應(yīng)確保最小化環(huán)路面積，減少輻射發(fā)射。

設(shè)計示例

以TPS51113為例，設(shè)計一個12V轉(zhuǎn)1.6V/10A的DC - DC轉(zhuǎn)換器。

• 電感選擇：選擇1.5μH的電感，電感紋波電流為3.08A。
• 輸出電容計算：選擇470μF的POS - CAP和47μF的陶瓷電容并聯(lián)。
• 輸入電容選擇：選擇兩個22μF的陶瓷電容，ESR為2mΩ。
• MOSFET選擇：高側(cè)MOSFET選用BSC079N03S，同步整流MOSFET選用BSC032N03S。
• 反饋回路補償：采用Type III網(wǎng)絡(luò)，通過計算確定極點和零點，實現(xiàn)約35.7kHz的交叉頻率和約60°的相位裕度。

總結(jié)

TPS51113和TPS51163同步降壓控制器憑借其豐富的特性和出色的性能，為電源設(shè)計提供了可靠的解決方案。在實際設(shè)計中，合理選擇外部零件、進行反饋回路補償以及優(yōu)化布局，能夠充分發(fā)揮這兩款控制器的優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用的需求。你在使用這兩款控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。