TPS5103：多模式同步DC/DC控制器的深度解析

在電子設備的電源設計中，DC/DC控制器扮演著至關重要的角色。TPS5103作為一款多模式同步DC/DC控制器，專為筆記本電腦系統(tǒng)電源設計，具備多種操作模式和出色的性能，能滿足不同應用場景的需求。本文將對TPS5103進行詳細的技術剖析，希望能為電子工程師們在電源設計方面提供有益的參考。

文件下載：TPS5103EVM-136.pdf

一、TPS5103的主要特性

1. 操作模式

TPS5103具有三種用戶可選的操作模式：滯回模式、固定頻率PWM控制和SKIP控制。在高電流應用中，滯回模式能提供快速的瞬態(tài)響應，減少大容量電容的使用；而在輕負載條件下，選擇PWM/SKIP模式則有助于節(jié)省筆記本電池壽命。

2. 電壓范圍與效率

輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可調節(jié)至低至1.2V，效率高達95%。此外，它還具備待機控制、過流保護和欠壓鎖定（UVLO）等功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3. 驅動能力

該控制器包含高端和低端MOSFET驅動器，能夠驅動低導通電阻（rds(on)）的N溝道MOSFET，為電源開關提供可靠的驅動。

二、關鍵參數與功能解析

1. 參考電壓（REF）

REF電壓用于輸出電壓設置和電壓保護，典型公差為1.5%。它為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的參考基準，確保輸出電壓的準確性。

2. 內部5V調節(jié)器（VREF5）

內部線性電壓調節(jié)器為高端驅動器自舉電壓提供固定電壓，輸入電壓范圍為4.5V至25V，公差為6%。這使得自舉電路的設計更加簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 滯回比較器

滯回比較器用于調節(jié)同步降壓轉換器的輸出電壓，內部設定的滯回值典型為9.7mV，從比較器輸入到驅動器輸出的總延遲時間典型為400ns。這種設計能夠有效減少輸出電壓的波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4. 誤差放大器

誤差放大器用于感測同步降壓轉換器的輸出電壓，其負輸入通過電阻分壓器網絡連接到VREF（1.185V），輸出端引出到FB端子，用于環(huán)路增益補償。通過合理設計誤差放大器的參數，可以實現對輸出電壓的精確控制。

5. 驅動器

• 低端驅動器：設計用于驅動低rds(on)的N溝道MOSFET，最大驅動電壓為5V（來自VREF5），典型電流額定值為1.2A（灌電流）和 -1.5A（拉電流）。
• 高端驅動器：同樣用于驅動低rds(on)的N溝道MOSFET，電流額定值為1.2A（灌電流）和 -1.7A（拉電流）。當配置為浮動驅動器時，驅動器的偏置電壓由VREF5提供，限制了OUT_u和LL之間的最大驅動電壓為5V，LH和OUTGND之間的最大電壓為30V。

  6. 驅動器死區(qū)時間控制

  死區(qū)時間控制可防止主功率FET中出現直通電流，在開關轉換期間，主動控制MOSFET驅動器的導通時間。典型的死區(qū)時間為：從低端驅動器關斷到高端驅動器導通為90ns，從高端驅動器關斷到低端驅動器導通為110ns。

  7. 電流保護

  通過VCC_SENSE和LL端子感測高端功率MOSFET導通期間的漏源電壓降，實現電流保護。外部電阻（連接在VREG5V_IN和TRIP之間）與內部電流源（PWM模式下典型值為15μA，SKIP模式下為5μA）共同調節(jié)電流限制。當正端電壓低于負端電壓時，電流比較器觸發(fā)振蕩器，反復重置觸發(fā)器，直到過流條件消除。

三、應用設計要點

1. 輸出電壓設置

輸出電壓由參考電壓和分壓器設置，計算公式為： [R 2=frac{R 1 × V{ref }}{V{O}-V{ref }}] 其中，R1（>10kΩ）為上拉電阻，R2為下拉電阻，(V{O})為所需輸出電壓，(V_{ref })為參考電壓（TPS5103中為1.185V）。通過合理選擇電阻值，可以實現不同的輸出電壓設置。

2. 開關頻率計算

在滯回控制模式下，開關頻率是多個因素的函數，包括輸入電壓、輸出電壓、滯回窗口、滯回比較器和驅動器的延遲、輸出電感、輸出電容等。為了簡化計算，可使用以下簡化公式： [f s=frac{V{O} timesleft(V{I}-V{O}right) timesleft(ESR-left(10 × 10^{-7}+Tdright) / C{O}right)}{V{1} timesleft(V{1} × ESR timesleft(10 × 10^{-7}+Tdright)+0.0097 × L{(O)}-E S L × V{1}right)}] 其中，fs為開關頻率（Hz），(V{O})為輸出電壓，(V{I})為輸入電壓，(C{O})為輸出電容，ESR為輸出電容的等效串聯(lián)電阻，ESL為輸出電容的等效串聯(lián)電感，(L{(O)})為輸出電感，Td為輸出反饋RC濾波器時間常數（s）。

3. 輸出電感紋波電流計算

輸出電感紋波電流會影響效率、電感飽和以及輸出電壓電容的選擇，計算公式為： [I{(ripple )}=frac{V{I}-V{O}-I{O}left(r{d s(o n)}+RLright)}{L{O}} × D × T s] 其中，(I{(ripple)})為電感的峰 - 峰紋波電流（A），(V{I})為輸入電壓，(V{O})為輸出電壓，(I{O})為輸出電流，(r_{ds(on)})為MOSFET的導通電阻（Ω），D為占空比，Ts為開關周期（S）。通過調整輸出電感值，可以調節(jié)電流紋波。

4. 輸出電容RMS電流計算

假設電感紋波電流全部通過輸出電容到地，則輸出電容的RMS電流計算公式為： [I{O(rms)}=frac{Delta I}{sqrt{12}}] 其中，(I{O(rms)})為輸出電容的最大RMS電流（A），(Delta I)為電感的峰 - 峰紋波電流（A）。

5. 輸入電容RMS電流計算

假設輸入紋波電流全部流入輸入電容到電源地，則輸入電容的RMS電流計算公式為： [I{I(rms)}=sqrt{I{O}^{2} × D times(1-D)+frac{1}{12} × D × I{ripple }^{2}}] 其中，(I{I(rms)})為輸入電容的RMS電流（A），(I_{O})為輸出電流（A），D為占空比。通常，最低輸入電壓時輸入RMS電流最大，因此在設計輸入電容紋波電流時應考慮最壞情況。

6. 軟啟動

軟啟動時間可以通過選擇軟啟動電容值來調整，計算公式為： [C{(soft) }=2 × T{(soft) }] 其中，(C{(soft) })為軟啟動電容（uF），(T{(soft) })為軟啟動端子的啟動時間（s）。

7. 電流保護

TPS5103的電流保護通過內部電流源和外部電阻設置電流限制。計算公式如下：

• PWM或HYS模式：[R{cl}=frac{r{d s( on )} timesleft(I{(trip )}+I{ind(p-p)}/ 2right)}{0.000015}]
• SKIP模式：[R{cl}=frac{r{d s( on )} times I{(trip )}}{0.000005}] 其中，(R{cl})為外部電流限制電阻，(r{ds(on)})為高端MOSFET的導通電阻，(I{(trip )})為所需電流限制，(I_{ind(p-p)})為輸出電感的峰 - 峰電流。

  8. 環(huán)路增益補償

  為了實現快速、穩(wěn)定的控制，TPS5103采用電壓模式控制進行輸出電壓調節(jié)。通過對功率級小信號建模和補償電路設計，可以提高反饋控制的性能。補償電路通常由積分器、極點和零點組成，通過調整這些參數，可以優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。

四、同步與布局指南

1. 同步方法

一些應用需要開關時鐘同步，TPS5103提供了兩種同步方法：三角波同步和方波同步。三角波同步通過連接外部電阻和電容來實現；方波同步則適用于與數字電路（如DSP）同步，通過調整外部電阻和電容的值，實現正確的峰 - 峰電壓和偏移值。

2. 布局指南

良好的電源設計不僅依賴于電路設計，還與PCB布局密切相關。在布局TPS5103設計時，應注意以下幾點：

• 所有敏感模擬組件應參考ANAGND，包括連接到VREF5、Vref、INV、LH和COMP的組件。
• 模擬地和驅動地應盡可能隔離，模擬地連接到(V_{O})上大容量存儲電容的接地端，驅動地連接到靠近低端FET源極的主接地平面。
• 驅動器到功率FET柵極的連接應盡可能短而寬，以減少雜散電感。
• (V_{CC})的旁路電容應靠近TPS5103放置。
• 當配置高端驅動器為浮動驅動器時，LL到功率FET的連接應盡可能短而寬，自舉電容（連接在LH和LL之間）應靠近TPS5103放置。
• 大容量存儲電容應靠近功率FET放置，高頻旁路電容應與大容量電容并聯(lián)，并連接到高端FET的漏極和低端FET的源極附近。
• 輸出電壓感測走線應通過接地走線或(V_{CC})走線進行隔離。

五、測試結果與應用建議

1. 測試結果

在(T_{A}=25^{circ} C)、點電壓為5V的條件下進行測試，TPS5103表現出了良好的性能，包括效率、輸出電壓穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應等方面。

2. 應用建議

• 對于5V輸入電壓的應用，可以將C1更換為低剖面電容，如Sanyo 10TPB220M（220μF，10V）或6TPB330M（330μF，6.3V）。
• 對于輸出電流小于3A的應用，可以將Q1和Q2更換為雙封裝MOSFET，如IRF7311，以降低成本。
• 對于二極管版本的應用，可以移除Q2以降低成本。

六、總結

TPS5103作為一款多模式同步DC/DC控制器，具有多種操作模式、出色的性能和豐富的保護功能，適用于筆記本電腦等多種電源應用。通過合理的設計和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現高效、穩(wěn)定的電源供應。在實際應用中，電子工程師們可以根據具體需求，靈活選擇操作模式和調整參數，以滿足不同的設計要求。同時，注意布局和測試，確保系統(tǒng)的可靠性和性能。你在使用TPS5103進行設計時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。