探索TPS6100x系列單雙節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。升壓轉(zhuǎn)換器作為電源管理的關(guān)鍵組件，能夠?qū)⒌碗妷恨D(zhuǎn)換為高電壓，滿足不同設(shè)備的供電需求。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器（TI）的TPS6100x系列單雙節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器。

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1. 產(chǎn)品概覽

TPS6100x系列包括TPS61000、TPS61001、TPS61002、TPS61003、TPS61004、TPS61005、TPS61006和TPS61007等型號(hào)。該系列轉(zhuǎn)換器專為單節(jié)或雙節(jié)鎳鎘（NiCd）、鎳氫（NiMH）或堿性電池供電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輸出電壓可在1.5V至3.3V之間調(diào)節(jié)，能從單節(jié)電池提供最小100mA的輸出電流，從雙節(jié)電池提供250mA的輸出電流。

1.1 主要特性

• 低壓?jiǎn)?dòng)與滿載能力：能在低至0.9V的電源電壓下啟動(dòng)進(jìn)入滿載狀態(tài)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定。從0.8V電源電壓可提供最小100mA的輸出電流，從1.8V可提供250mA的輸出電流。
• 高效轉(zhuǎn)換：具有高達(dá)90%的功率轉(zhuǎn)換效率，并且在低輸出電流時(shí)采用節(jié)能模式，進(jìn)一步提高效率。
• 低靜態(tài)電流：器件靜態(tài)電流小于50μA，有助于延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 集成功能：集成了低電池比較器，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性；還集成了抗振鈴開(kāi)關(guān)，降低了電磁干擾（EMI）。
• 小巧封裝：采用微型10引腳MSOP封裝，節(jié)省電路板空間。
• 評(píng)估模塊：提供評(píng)估模塊（TPS6100xEVM–156），方便工程師進(jìn)行測(cè)試和開(kāi)發(fā)。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

該系列轉(zhuǎn)換器適用于多種單節(jié)和雙節(jié)電池供電的產(chǎn)品，如MP3播放器、無(wú)線耳機(jī)、尋呼機(jī)、無(wú)繩電話、便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備和遙控器等。

2. 詳細(xì)技術(shù)分析

2.1 工作原理

TPS6100x基于固定頻率、電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器。在中等到重負(fù)載電流下，通常以500kHz的頻率工作；在低負(fù)載電流時(shí)進(jìn)入節(jié)能模式，以保持寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效率。

2.2 功能模塊

• 控制器電路：采用電流模式控制拓?fù)?，通過(guò)測(cè)量開(kāi)關(guān)兩端的電壓實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，并在每個(gè)脈沖周期內(nèi)限制通過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流。為防止電感飽和，電感飽和電流應(yīng)高于TPS6100x的電流限制。在輕負(fù)載時(shí)，控制器進(jìn)入節(jié)能模式，僅在輸出電壓低于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，以減少開(kāi)關(guān)損耗。
• 設(shè)備使能：當(dāng)EN引腳置高時(shí)，設(shè)備開(kāi)始工作；啟動(dòng)過(guò)程中，電池輸入電流受限，直到COMP引腳電壓達(dá)到工作點(diǎn)。當(dāng)EN引腳接地時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，調(diào)節(jié)器停止開(kāi)關(guān)操作，所有內(nèi)部控制電路（包括低電池比較器）關(guān)閉，輸出電壓降至輸入電壓以下一個(gè)二極管壓降。
• 欠壓鎖定：當(dāng)(V{BAT})電源電壓低于約0.7V時(shí)，欠壓鎖定功能可防止設(shè)備啟動(dòng)，避免轉(zhuǎn)換器故障。在工作過(guò)程中，若電池放電導(dǎo)致(V{BAT})電壓降至約0.7V以下，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。
• 低電池檢測(cè)電路：用于監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)LBI引腳電壓降至500mV ±15mV的設(shè)定閾值以下時(shí)，LBO引腳輸出低電平?？赏ㄟ^(guò)連接到LBI引腳的電阻分壓器對(duì)檢測(cè)電路的開(kāi)關(guān)電壓進(jìn)行編程。若不使用該功能，LBI引腳應(yīng)連接到GND或(V_{BAT})，LBO引腳可懸空。
• 低EMI開(kāi)關(guān)：當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入不連續(xù)電流模式時(shí)，集成的抗振鈴開(kāi)關(guān)可消除SW節(jié)點(diǎn)上的振鈴現(xiàn)象，將該節(jié)點(diǎn)電壓內(nèi)部鉗位到(V_{BAT})，從而大大降低開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電磁干擾。
• 可調(diào)輸出電壓（僅TPS61000和TPS61007）：可調(diào)輸出電壓版本的精度取決于內(nèi)部電壓參考的精度、控制器拓?fù)浜屯獠侩娮璺謮浩鞯木?。通過(guò)使用1%精度的反饋電阻分壓器，在整個(gè)溫度和輸出電流范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±6%的總精度。TPS61007通過(guò)為反饋電阻分壓器添加單獨(dú)的接地引腳（FBGND），消除了反饋環(huán)路中的接地偏移問(wèn)題。

3. 應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

以典型應(yīng)用為例，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

• 輸入電壓范圍：1.8V至3.3V
• 輸出電壓：3.3V
• 輸出電壓紋波：±3% (V_{OUT})

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

3.2.1 編程可調(diào)輸出電壓

對(duì)于TPS61000和TPS61007，可通過(guò)外部電阻分壓器調(diào)節(jié)輸出電壓。FB引腳在固定頻率工作時(shí)的典型電壓為500mV，在節(jié)能模式下為485mV。輸出電壓的最大值為3.3V。電阻分壓器的電流應(yīng)約為流入FB引腳電流的100倍，推薦R4的值在500kΩ左右，可根據(jù)所需輸出電壓(V{OUT})計(jì)算R3的值： [R 3=R 4 timesleft(frac{V{O}}{V{FB}}-1right)=500 k Omega timesleft(frac{V{O}}{500 mV}-1right)]

3.2.2 編程低電池比較器閾值電壓

低電池比較器的電流應(yīng)約為流入LBI引腳電流的100倍，推薦R2的值在500kΩ左右?？筛鶕?jù)所需的最小電池電壓(V{BAT})計(jì)算R1的值。LBO引腳為開(kāi)漏輸出，需要一個(gè)上拉電阻，推薦值為1MΩ，且應(yīng)僅上拉到(V{OUT})。

3.2.3 電感選擇

選擇電感時(shí)，應(yīng)確保電感的可能峰值電流低于所選配置中功率開(kāi)關(guān)的電流限制閾值。同時(shí)，電感的電流紋波應(yīng)小于平均電感電流的20%，以減少電感的磁滯損耗、輸出電壓紋波和EMI?？筛鶕?jù)以下公式計(jì)算電感值： [I{L}=I{OUT } × frac{V{OUT }}{V{BAT } × 0.8}] (Delta I{L}) 為電感中的紋波電流，即20% (I{L}) 。

3.2.4 電容選擇

輸出電容的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)換器允許的最大輸出電壓紋波?？筛鶕?jù)以下公式計(jì)算最小電容值： [C{min }=frac{I{OUT } timesleft(V{OUT }-V{BAT }right)}{f × Delta V × V_{OUT }}] 其中，f為開(kāi)關(guān)頻率，(Delta V) 為最大允許紋波。此外，還需考慮電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）對(duì)紋波的影響。

3.2.5 整流器選擇

應(yīng)選擇具有低正向電壓和快速反向恢復(fù)特性的肖特基二極管作為整流器，以最小化直流 - 直流轉(zhuǎn)換器的整體損耗。二極管的最大電流額定值應(yīng)足夠高，反向電壓額定值應(yīng)高于輸出電壓。

3.2.6 控制環(huán)路補(bǔ)償

為穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路，需在COMP引腳連接一個(gè)R/C/C網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償電感L1產(chǎn)生的極點(diǎn)和輸出電容的ESR及電容產(chǎn)生的零點(diǎn)。

4. 布局與散熱考慮

4.1 布局指南

對(duì)于所有開(kāi)關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，尤其是在高峰值電流和高開(kāi)關(guān)頻率的情況下。應(yīng)使用寬而短的走線作為主電流路徑和電源接地軌道，輸入電容、輸出電容和電感應(yīng)盡可能靠近IC放置。使用單獨(dú)的電源接地節(jié)點(diǎn)和控制接地節(jié)點(diǎn)，以減少接地噪聲的影響，并在靠近IC的接地引腳處連接這兩個(gè)接地節(jié)點(diǎn)。反饋分壓器應(yīng)盡可能靠近IC的控制接地引腳。

4.2 散熱考慮

TPS6100x器件的最大結(jié)溫為125°C，10引腳MSOP封裝（DGS）的熱阻為(R_{theta J A}=161^{circ} C / W) 。在正常工作條件下，轉(zhuǎn)換器IC內(nèi)部產(chǎn)生的總損耗小于50mW，遠(yuǎn)低于最大允許功率耗散248mW，因此一般無(wú)需特別關(guān)注散熱問(wèn)題。

5. 總結(jié)

TPS6100x系列單雙節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器以其出色的性能和豐富的功能，為單節(jié)和雙節(jié)電池供電的設(shè)備提供了高效、可靠的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容、整流器等外部組件，并注意布局和散熱問(wèn)題，以確保轉(zhuǎn)換器的性能和穩(wěn)定性。你在使用TPS6100x系列轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。