Администрирование Железо TPS6102x: эффективный повышающий DC-DC Tue, December 18 2018  

Поделиться

нашли опечатку?

Пожалуйста, сообщите об этом - просто выделите ошибочное слово или фразу и нажмите Shift Enter.


TPS6102x: эффективный повышающий DC-DC Печать
Добавил(а) microsin   

Функциональные особенности микросхемы:

• Эффективный синхронный повышающий преобразователь с КПД 96%
• Выходное напряжение остается регулируемым, когда входное напряжение начинает превышать выходное
• Типовой ток потребления в ждущем режиме 25 µA
• Диапазон входных напряжений от 0.9 до 6.5V
• Есть варианты микросхем на фиксированное и настраиваемое выходное напряжение до 5.5V
• Есть режим экономии питания (Power Save Mode) для повышенной эффективности при малой выходной мощности
• Компаратор определения разряженного состояния батареи (Low Battery Comparator)
• Низкий уровень помех (интегрирован специальный ключ с устранением звона, Anti-ringing Switch)
• Отключение нагрузки в режиме "выключено"
• Защите от перегрева
• Маленький корпус VSON-10 размером 3 x 3 мм

Основные сферы применения:

• Все переносные устройства с питанием от батареек (от одной, двух, трех щелочных, NiCd или NiMH, или от одного элемента Li-Ion или Li-Polymer).
• Портативные плееры музыки.
• Наладонники (PDA).
• Сотовые телефоны.
• Персональные медицинские устройства.
• Светодиодные лампы-вспышки для фотокамер.

Микросхемы семейства TPS6102x предназначены для организации питания переносных устройств, которые должны работать от одной, двух, трех щелочных, NiCd или NiMH батареек, или от одного элемента Li-Ion или Li-Polymer. Выходные токи при питании от одной щелочной батарейки (1.5V) могут достигать до 200 mA, и батарейка при этом может разряжаться до 0.9V. Устройство может также генерировать 5V при 500 mA от напряжения 3.3V или от одного элемента Li-Ion. Повышающий преобразователь основан на контроллере ШИМ (PWM) фиксированной частоты, с использованием синхронного выпрямителя, чтобы достичь максимальной эффективности.

TPS61020 typical sch

При малых токах нагрузки преобразователь входит в режим экономии мощности (power save mode, PSM), благодаря чему сохраняется высокая эффективность работы в широком диапазоне потребляемых токов нагрузки. Режим PSM можно запретить, принуждая преобразователь работать на фиксированной частоте переключения. Максимальный пиковый ток повышающего преобразователя ограничен значением 800, 1500 или 1800 mA в зависимости от версии устройства (см. таблицу сравнения устройств ниже).

Напряжение на выходе(1) Номинальный предел тока Наименование микросхемы(2)
Настраивается 1500 mA TPS61020DRC
800 mA TPS61028DRC
1800 mA TPS61029DRC
3.0V 1500 mA TPS61024DRC
3.3V 1500 mA TPS61025DRC
5V 1800 mA TPS61026DRC
1500 mA TPS61027DRC

Примечания:

(1) Свяжитесь с заводом-изготовителем, чтобы проверить доступность версий с фиксированным выходным напряжением.
(2) DRC-корпус доступен в ленте и линейках. При заказе добавьте суффикс R к типу устройства (например TPS61020DRCR), чтобы заказывать партию 3000 микросхем в линейке. Добавьте суффикс T к типу устройства (TPS61020DRCT), чтобы заказать партию с 250 микросхемами в линейке.

Выходное напряжение TPS6102x все еще остается регулируемым, даже когда входное напряжение начинает превышать номинальное выходное напряжение. Уровень выходного напряжения можно программировать внешним делителем напряжения на резисторах, или уровень может быть фиксированным (в зависимости от модели микросхемы). Преобразователь может быть запрещен для минимизации потребления тока от батареи. В состоянии "выключено" нагрузка полностью отключается от батареи. Реализован режим малого уровня помех (low-EMI mode) для уменьшения звона электромагнитного излучения, когда преобразователь входит в режим прерывания подключения (discontinuous conduction mode). Микросхема поставляется в миниатюрном 10-выводном корпусе VSON PowerPAD™ размером 3 x 3 мм, с теплоотводящей контактной площадкой на донце.

[Цоколевка корпуса и назначение выводов]

TPS6102x pinout

Имя I/O Функция
1 EN I Вход разрешения работы (1/VBAT разрешено, 0/GND запрещено).
2 VOUT O Выход повышающего преобразователя.
3 FB I Вход обратной связи для регулирования напряжения (для версий, где выходное напряжение подстраивается).
4 LBO O Выход компаратора определения разряженности батареи (открытый сток)
5 GND   Земля для сигналов управления/логики.
6 VBAT I Вход для подачи питания (обычно это батарея).
7 LBI I Вход компаратора детектирования разряженности батареи (этот компаратор разрешен, когда подан разрешающий сигнал EN).
8 PS I Вход для разрешения/запрета режима экономии питания (1/VBAT режим экономии запрещен, 0/GND разрешен).
9 SW I Вход силового и выпрямляющего ключа.
10 PGND   Силовая земля питания.
  PowerPAD™   Теплоотводящая контактная площадка на донце, должна быть припаяна к фольге платы для рассеивания мощности. Электрически должна соединяться с PGND.

Предельные допустимые значения. Значения в таблице ниже даны в условиях работы на открытом воздухе.

Параметр MIN MAX Ед.
  Входное напряжение на SW, VOUT, LBO, VBAT, PS, EN, FB, LBI –0.3 7 V
TJ Рабочая температура кристалла –40 150 °C
Tstg Температура хранения –65 150 °C

Примечание: превышение предельно допустимых значений может привести к необратимому повреждению микросхемы. Эти параметры даны только для оценки, и работа микросхемы в этих условиях не подразумевается. Работа устройства в течение долгого времени в условиях предельных значений может повлиять на его надежность.

Устойчивость к статическому электричеству (ESD)

Параметр Значение Ед.
V(ESD) Human-body model (HBM), ANSI/ESDA/JEDEC JS-001(1) ±2000 V
Charged-device model (CDM), стандарт JEDEC JESD22-C101(2) ±750

Примечания:

(1) Документ JEDEC JEP155 устанавливает, что 500-V HBM (модель тела человека) позволяет безопасно осуществлять производство в стандартном процессе управления ESD. Производство с меньшим чем 500-V HBM возможно с необходимыми предосторожностями.
(2) Документ JEDEC JEP157 устанавливает, что 250-V CDM позволяет безопасно осуществлять производство в стандартном процессе управления ESD. Производство с меньшим чем 250-V CDM возможно с необходимыми предосторожностями.

Параметр MIN MAX Ед.
Напряжение питания на VBAT, VI (TPS61020, TPS61024, TPS61025, TPS61028) 0.9 6.5 V
Напряжение питания на VBAT, VI (TPS61026, TPS61029)  0.9 5.5
Рабочий виртуальный диапазон температуры кристалла TJ –40 125 °C

Температурные характеристики:

Параметр TPS6102x (SON)(1)
Знач. Ед.
RθJA Термосопротивление кристалл - окружающая среда (Junction-to-ambient) 47.2 °C/W
RθJC(top) Термосопротивление кристалл - верхняя часть корпуса (Junction-to-case, top) 67.5
RθJB Термосопротивление кристалл - печатная плата (Junction-to-board) 21.6
ψJT Характеристический параметр кристалл - верхняя часть корпуса (Junction-to-top) 1.7
ψJB Характеристический параметр кристалл - печатная плата (Junction-to-board) 21.8
RθJC(bot) Термосопротивление кристалл - нижняя часть корпуса (Junction-to-case, bottom) 3.6

Примечание (1): для дополнительной информации по традиционным и новым температурным метрикам см. документ IC Package Thermal Metrics, SPRA953.

Типовые значения даны при температуре кристалла TJ = 25°C (если не указано нечто другое).

Параметр TPS6102x
Условия тестирования MIN TYP MAX Ед.
Каскад DC-DC
VI Минимальное входное напряжение для запуска RL = 120 Ω   0.9 1.2 V
Диапазон входного напряжения после запуска (TPS61020, TPS61024, TPS61025, TPS61027, TPS61028)   0.9   6.5
Диапазон входного напряжения после запуска (TPS61026, TPS61029)   0.9   5.5
VO Диапазон выходного напряжения TPS61020, TPS61028 и TPS61029   1.8   5.5
VFB Напряжение обратной связи TPS61020, TPS61028 и TPS61029   490 500 510 mV
f Рабочая частота   480 600 720 кГц
ISW Предел тока ключа (TPS61020, TPS61024, TPS61025, TPS61027) VOUT = 3.3V 1200 1500 1800 mA
Предел тока ключа (TPS61028)   800  
Предел тока ключа (TPS61026, TPS61029) 1500 1800 2100
  Ограничение тока запуска   0.4 x ISW
  Сопротивление N-ключа (SWN) VOUT = 3.3 V   260  
  Сопротивление P-ключа (SWP)   290  
  Общая точность (включая регулировки линии и нагрузки)       ±3%  
  Регулировка линии       0.6%  
  Регулировка нагрузки       0.6%  
  Ток утечки VBAT IO = 0 mA, VEN = VBAT = 1.2V, VOUT = 3.3V, TA = 25°C   1 3 μA
  Ток утечки VOUT   25 45
  Ток состояния "выключено" VEN = 0V, VBAT = 1.2V, TA = 25°C   0.1 1
Каскад управления
VUVLO Порог срабатывания ограничения по минимальному напряжению Уменьшается напряжение VLBI   0.8   V
VIL Пороговое напряжение LBI 490 500 510 mV
  Гистерезис входа LBI     10  
  Входной ток LBI EN = VBAT или GND   0.01 0.1 μA
VOL Низкое выходное напряжение LBO VO = 3.3V, IOI = 100 µA   0.04 0.4 V
Vlkg Ток утечки выхода LBO VLBO = 7V   0.01 0.1 µA
VIL Входное низкое напряжение EN, PS       0.2 x VBAT V
VIH Входное высокое напряжение EN, PS   0.8 x VBAT      
  Входной ток EN, PS Подается от GND или VBAT   0.01 0.1 µA
  Защита от перегрева     140   °C
  Гистерезис защиты от перегрева     20  

TPS61020 Maximum Output Current vs Input Voltage fig01

Рис. 1. TPS61020: зависимость максимального выходного тока от входного напряжения.

TPS61020 Efficiency vs Output Current fig02

Рис. 2. TPS61020: зависимость эффективности от выходного тока.

TPS61025 Efficiency vs Output Current fig03

Рис. 3. TPS61025: зависимость эффективности от выходного тока.

TPS61027 Efficiency vs Output Current fig04

Рис. 4. TPS61027: зависимость эффективности от выходного тока.

TPS61025 Efficiency vs Input Voltage fig05

Рис. 5. TPS61025: зависимость эффективности от входного напряжения.

TPS61027 Efficiency vs Input Voltage fig06

Рис. 6. TPS61027: зависимость эффективности от входного напряжения.

TPS61025 Output Voltage vs Output Current fig07

Рис. 7. TPS61025: зависимость выходного напряжения от выходного тока.

TPS61027 Output Voltage vs Output Current fig08

Рис. 8. TPS61027: зависимость выходного напряжения от выходного тока.

TPS6102x No Load Supply Current Into VBAT vs Input Voltage fig09

Рис. 9. Зависимость тока VBAT без нагрузки от входного напряжения.

TPS6102x No Load Supply Current Into VOUT vs Input Voltage fig10

Рис. 10. Зависимость тока VOUT без нагрузки от входного напряжения.

TPS6102x Parameter Measurement Schematic fig11

Рис. 11. Схема для измерения параметров.

Список компонентов:

U1 TPS6102xDRC
L1 EPCOS B82462−G4682
C1, C2 X7R/X5R Ceramic
C3 Low ESR Tantalum

[Подробное описание]

TPS6102x основан на ШИМ-контроллере, работающем с фиксированной частотой, и синхронном выпрямителе, чтобы достичь максимальной эффективности. Входное, выходное напряжение, и падение напряжения на ключе NMOS отслеживается и передается в регулятор. Таким образом, изменения рабочих условий преобразователя непосредственно влияют на скважность импульсов ШИМ. При малых токах нагрузки преобразователь входит в режим экономии энергии (Power Save Mode, PSM), чтобы обеспечить эффективную работу в широких диапазонах изменения нагрузки. Этот режим можно запретить, при этом преобразователь будет принудительно работать на фиксированной частоте переключения.

[Функциональная блок-схема]

TPS6102x Functional Block Diagram

Блок контроллера. Схема контроллера основана на топологии множественных обратных связей (multiple feed forward). Напряжения на входе, выходе и падение напряжения на ключе NMOS отслеживаются, и эта информация перенаправляется в регулятор. Поэтому изменения рабочих условий регулятора немедленно отражаются на скважности ШИМ, не проходя через косвенный и долгий путь через петлю обратной связи управления и усилитель ошибки. Петля обратной связи, определяемая усилителем ошибки, отвечает только за обработку малых изменений сигнала ошибки. На вход усилителя ошибки подается напряжение обратной связи на вывод FB, или если микросхема версии с фиксированным напряжением, напряжение от внутреннего резисторного делителя. Это напряжение сравнивается с внутренним опорным напряжением, чтобы генерировать точное и стабильное выходное напряжение.

Пиковый ток через ключ NMOS также отслеживается, чтобы ограничить максимальный ток через ключ и индуктивность. Внутренний датчик температуры предотвращает перегрев микросхемы, когда на ней рассеивается чрезмерная мощность.

Синхронный выпрямитель. В микросхему интегрирован синхронный выпрямитель на N- и P-канальных транзисторах MOSFET. Из-за того, что обычно используемый выпрямитель на диоде Шоттки заменен низкоомными каналами сток-исток ключа PMOS, общий КПД преобразователя достигает 96%. Чтобы избежать смещения уровня земли из-за больших токов ключа NMOS, используются два раздельных вывода для подключения земли. Опорным уровнем для всех функций управления служит шина земли (GND). Исток ключа NMOS подключен к PGND. Обе земли должны подключаться друг к другу на печатной плате только в одной точке, максимально близко к выводу GND. Применяется специальная схема для отключения нагрузки от входа, когда преобразователь выключен. В обычных схемах синхронных выпрямителей обратный диод затвора верхнего транзистора PMOS смещен в прямом направлении в состоянии выключено, что позволяет течь току от батареи на выход. Однако эта микросхема использует специальную схему, которая берет катод обратного диода затвора верхнего транзистора PMOS и отключает его от источника, когда работа регулятора запрещена (EN = low).

Достоинство такого решения в том, что разработчик системы, работающей от батареи, избавлен от проблемы разряда батареи, когда конвертер выключен. Не требуются добавлять никакие дополнительные компоненты в дизайн, чтобы гарантировать отключение батареи от выхода преобразователя.

Регулировка вниз. Обычно повышающие преобразователи регулируют выходное напряжение только тогда, когда оно выше, чем входное. Микросхема TPS6102x работает по-другому. Например, она может регулировать 3.0 на выходе, когда входное напряжение поставляется от двух свежих щелочных (alkaline) батареек, которые дают входное напряжение 3.2V. Другой пример - питание светодиодов (LED) прямым напряжением 3.6V от полностью заряженной Li-Ion банки с выходным напряжением 4.2V. Чтобы правильно управлять напряжением в таких ситуациях, в TPS6102x реализован понижающий режим регулирования.

Если входное напряжение достигает или превышает выходное, преобразователь меняет свой режим работы. При этом схема управления меняет поведением выпрямляющих транзисторов PMOS. Она устанавливает падение напряжения на PMOS достаточно высоким для регулирования выходного напряжения. Это означает, что потери мощности в преобразователе повышаются. Это нужно учитывать при расчете нагрева микросхемы. Режим преобразования вниз автоматически выключается, как только входное напряжение упадет на напряжение около 50 mV ниже выходного напряжения. Для правильной работы регулирования вниз выходное напряжение не должно быть запрограммировано на уровень меньше 50% от максимального входного напряжения, которое может быть подано.

Device Enable. Микросхема переходит в рабочий режим, когда на входе EN высокий уровень. Она переходит в режим "выключено" (shutdown mode), когда уровень EN притянут к GND. В shutdown mode регулятор прекращает переключения, все внутренние схемы управления выключаются, в том числе и компаратор детектирования разряженной батареи (low-battery comparator), и нагрузка изолируется от входа преобразователя (т. е. от батареи, как это описано в секции, посвященной синхронному выпрямителю). Это также означает, что выходное напряжение в состоянии "выключено" может упасть ниже входного. При старте преобразователя скважность переключения и пиковый ток ограничиваются, чтобы уменьшить импульс тока, потребляемый от батареи при включении.

Undervoltage Lockout. Функция блокировки при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout) предотвращает запуск устройства, если напряжение питания на VBAT меньше приблизительно 0.8V. Когда система работает, и батарея разрядилась, устройство автоматически войдет в режим "выключено" (shutdown mode), если напряжение на VBAT упадет ниже примерно 0.8V. Эта функция реализована для того, чтобы предотвратить случаи неправильного функционирования преобразователя.

Мягкий старт и защита от короткого замыкания. Когда работа микросхемы разрешается, начинается первый внутренний шаг запуска - фаза предзаряда (precharge phase). Во время предзаряда ключ выпрямителя замкнут, пока выходной конденсатор в нагрузке не зарядится до уровня, близкого к значению входного напряжения. Во время этой фазы ток через выпрямляющий ключ ограничен. Этот ток ограничения увеличивается с ростом выходного напряжения. Эта схема также ограничивает выходной ток при коротком замыкании на выходе. Рис. 12 показывает типовую зависимость тока предзаряда (precharge current) от выходного напряжения для определенных входных напряжений:

TPS6102x Precharge and Short Circuit Current fig12

Рис. 12. Токи предзаряда и короткого замыкания.

После того, как выходной конденсатор зарядится до входного напряжения, микросхема начнет управлять переключениями. Если входное напряжение ниже 1.4V, то микросхема работает с фиксированной скважностью 50%, пока выходное напряжение не достигнет 1.4V. После этого скважность устанавливается в зависимости от соотношения уровней входного и выходного напряжений. До тех пор, пока выходное напряжение не достигнет номинального значения, ограничение тока через ключ повышающего преобразователя устанавливается на 40% от своего номинального значения, чтобы предотвратить высокие пиковые токи от батареи при включении. Как только выходное напряжение достигнет своего уровня, регулятор получает полный контроль и ограничение тока ключа обратно устанавливается на 100%.

Схема детектора разряженного состояния батареи (LBI/LBO). Low Battery Detector (выводы LBI/LBO) обычно используется для мониторинга напряжения батареи и генерации флага ошибки, когда напряжение батареи упадет ниже установленного пользователем порога. Эта функция активна только когда работа микросхемы разрешена. Когда она запрещена, выход LBO находится в состоянии высокого сопротивления. Порог срабатывания на LBI составляет 500 mV. Во время нормального функционирования LBO остается в высоком сопротивлении, когда напряжение, поступающее на LBI, выше этого порога. LBO активируется и переходит в лог. 0, когда уровень на LBI становится ниже 500 mV.

Напряжение батареи, на котором схема детектора срабатывает, можно запрограммировать резистивным делителем, подключенным к выводу LBI. Резистивный делитель масштабирует вниз напряжение батареи до уровня 500 mV, который сравнивается с пороговым напряжением LBI. Вход LBI имеет встроенный гистерезис 10 mV. См. секцию с описанием практического применения для дополнительной информации по программированию порога LBI. Если схема детектирования низкого уровня батареи не используется, то вывод LBI должен быть подключен к GND (или к VBAT), и вывод LBO можно оставить не подключенным. Не оставляйте вывод LBI без подключения к чему-либо.

Low-EMI Switch. В микросхеме интегрирован узел, который удаляет звон, обычно появляющийся на цепи SW, когда преобразователь входит в режим прерывания тока (discontinuous current mode). В этом случае ток через индуктивность падает до нуля, и выпрямляющий ключ PMOS выключается, чтобы предотвратить обратный ток, протекающий от выходного конденсатора обратно в батарею. Из-за того, что есть оставшаяся энергия, которая сохраняется в паразитных компонентах деталей и индуктивности, генерируется звон на выводе SW. Интегрированный антизвоновый ключ притягивает это напряжение к VBAT, тем самым подавляя звон.

Режим экономии энергии (Power Save Mode, PSM). Вывод PS может использоваться для выбора разных режимов работы. Чтобы разрешить экономию энергии, PS должен быть установлен в низкий уровень. Этот режим используется для повышения эффективности работы при легкой нагрузке. В режиме экономии преобразователь работает только когда выходное напряжение падает ниже установленного порога. Это приводит к подъему выходного напряжения с одним или несколькими импульсами, после чего микросхема снова входит в режим экономии энергии, пока выходное напряжение превышает пороговое напряжение. Этот режим можно запретить, установкой уровня PS на VBAT. В режиме преобразования вниз режим экономии энергии всегда активен, и микросхема не может быть переведена в переключение с фиксированной частотой на легкой нагрузке.

Программирование выходного напряжения. Выходное напряжение TPS61020 DC-DC можно подстроить внешним резисторным делителем. Типовое значение напряжение на выводе составляет 500 mV. Максимальное рекомендуемое значение выходного напряжения составляет 5.5V. Ток через резистивный делитель должен быть примерно в 100 раз больше, чем ток вывода FB. Типовой ток вывода FB около 0.01 µA, и напряжение на R4 обычно 500 mV. На основе этих двух значений рекомендуемое значение R4 должно быть меньше 500 kΩ, чтобы ток делителя был 1 µA или больше. Из-за наличия внутренней схемы компенсации значение этого резистора должно быть в диапазоне 200 kΩ. Отсюда значение резистора R3 для необходимого выходного напряжения (VO) можно вычислить по Формуле 1:

TPS6102x Equation1 [Формула 1]

Если например выходное напряжение должно быть 3.3V, то для R3 должен быть выбран резистор 1.0 MΩ (см. рис. 1 и 11). Если по любой причине значение выбранного резистора R4 значительно ниже 200 kΩ, то рекомендуется параллельно резистору R3 подключить конденсатор, потому что микросхема иногда в таких условиях показывает нестабильное регулирования выходного напряжения. Требуемое значение емкости конденсатора можно вычислить по Формуле 2:

TPS6102x Equation2 [Формула 2]

Программирование порога детектора разряда батареи LBI/LBO. Ток через резистивный делитель должен быть примерно в 100 раз больше тока вывода LBI. Типовой ток в вывод LBI составляет 0.01 µA, и напряжение срабатывания на R2 равно пороговому напряжению LBI, генерируемому внутри микросхемы, которое равно 500 mV. Таким образом, рекомендуемое значение для R2 должно быть в диапазоне 500 kΩ. Следовательно значение R1, в зависимости от желаемого минимального напряжения батареи VBAT, можно вычислить по формуле 3.

TPS6102x Equation3 [Формула 3]

Выход схемы контроля за разрядом батареи это простой открытый сток, который замыкается на GND, когда напряжение батареи падает ниже запрограммированного порога на выводе LBI. На выходе LBO нужен верхний подтягивающий резистор с рекомендуемым значением 1 MΩ. Если вывод LBO не используется, то он может быть оставленным без подключения или замкнут на GND.

[Указания по практическому применению]

Микросхемы TPS6102x разработаны для работы от входного напряжения питания между 0.9V (когда батарея разрядилась от 1.2V) и 6.5V с максимальным ограниченным током до 1.8 A (зависит от типа микросхемы). Устройства работают в режиме ШИМ для средней или высокой нагрузки, и в режиме экономии энергии при слабой нагрузке. В режиме ШИМ преобразователь TPS6102x обычно работает на частоте 600 кГц. Когда ток нагрузки снизился, преобразователь входит в режим экономии энергии, снижая частоту переключения и минимизируя ток потребления микросхемы, чтобы достичь высокой эффективности во всем диапазоне нагрузок. Режим экономии энергии можно запретить, когда на вывод PS подан высокий уровень, принуждая преобразователь работать на фиксированной частоте.

На рис. 13 показано типовое приложение TPS6102x с входным диапазоном напряжений от 1.2V до 6.5V и выходным током 800 mA.

TPS6102x Typical Application Adjustable fig13

Рис. 13. Типовая практическая схема повышающего преобразователя с возможностью подстройки выходного напряжения.

DC-DC преобразователи TPS6102x предназначены для систем, получающих питание от одной до трех щелочных, NiCd, NiMH батареек с типичным предельным входным напряжением от 0.9V до 6.5V. TPS6102x также могут использоваться в системах, которые питаются от однобаночной Li-Ion или Li-Polymer батареи с напряжением между 2.5V и 4.2V. Может использоваться любой другой источник напряжения с типичным выходным напряжением между 0.9V и 6.5V в системах, где используется TPS6102x.

Выбор индуктивности. Повышающий преобразователь обычно требует два основных пассивных компонента для накопления энергии в процессе преобразования. На выходе нужны повышающая напряжение индуктивность и накопительный конденсатор. Для выбора индуктивности рекомендуется ограничивать предельный пиковый ток силового ключа в выбранной конфигурации. Например, порог ограничения тока TPS61029 равен 1800 mA при выходном напряжении 5V. Самый большой пиковый ток через индуктивность и ключ зависит от выходной нагрузки, входного напряжения (VBAT) и выходного напряжения (VOUT). Оценить максимальный средний ток через индуктивность можно по формуле 4:

TPS6102x Equation4 [Формула 4]

Например, для выходного тока 200 mA при 3.3V, через индуктивность будет течь как минимум средний ток 920 mA при минимальном входном напряжении 0.9V.

Второй параметр для выбора индуктивности - желаемые пульсации тока в индуктивности. Обычно желательно работать с пульсациями тока меньше 20% от среднего тока индуктивности. Меньшая величина пульсаций снижает потери магнитного гистерезиса индуктивности, а также снижает пульсации напряжения на выходе и излучение электромагнитных помех (EMI). Но при этом время регулирования при изменении тока нагрузки увеличивается. Дополнительно повышенное значение индуктивности повышает общую стоимость системы. С этими параметрами можно вычислить значение индуктивности по формуле 5:

TPS6102x Equation5 [Формула 5]

Параметр f это частота переключения, и ΔIL это ток пульсации в индуктивности, например 20% × IL. В этом примере желаемая величина индуктивности 5.5 µH. С этой вычисленной величиной и вычисленными токами можно выбрать подходящую индуктивность. В типовом применении рекомендуется индуктивность 6.8 µH. Микросхема оптимизирована для работы с индуктивностями в диапазоне между 2.2 µH и 22 µH. Тем не менее в некоторых приложениях может использоваться индуктивность с более высоким значением, в этом случае рекомендуется провести анализ стабильности работы. Следует обратить внимание на то, что изменения нагрузки и потери в схеме могут привести к повышенным токам, которые оцениваются по формуле 5. Также потери в индуктивности происходят из-за потерь на магнитный гистерезис и потери в меди, это основные параметры, которые влияют на общую эффективность схемы.

С преобразователями TPS6102x используются индуктивности следующих серий:

Таблица 2. Список типов индуктивностей.

Производитель Тип индуктивности
Sumida CDRH4D28
CDRH5D28
Wurth Elektronik 7447789
744042
EPCOS B82462-G4
Cooper Electronics Technologies SD25
SD20

Выбор входного конденсатора. Рекомендуется ставить на входе конденсатор как минимум 10 µF, чтобы улучшить поведение регулятора при переходных процессах и снизить помехи EMI общей системы питания. Параллельно рекомендуется подключить керамический или танталовый конденсатор 100 nF, размещенный вблизи IC.

Выбор выходного конденсатора. Главный параметр для определения выходного конденсатора - максимально допустимые пульсации выходного напряжения конвертера. Эти пульсации определяются двумя параметрами конденсатора, емкостью и внутренним сопротивлением потерь (ESR). Минимальную необходимую емкость конденсатора для заданных пульсаций (принимая, что ESR близки к нулю), можно вычислить по формуле 6:

TPS6102x Equation6 [Формула 6]

Параметр f это частота переключения, и ΔV это максимально допустимые пульсации. При выбранном уровне пульсаций 10 mV должен использоваться конденсатор с минимальной емкостью 24 µF. Общие пульсации будут выше из-за ESR выходного конденсатора. Этот дополнительный компонент пульсация можно вычислить по формуле 7:

TPS6102x Equation7 [Формула 7]

Дополнительные пульсации 16 mV появляются из-за того, что используемый танталовый конденсатор имеет низкое ESR 80 mΩ. Общие пульсации будут суммой шумов формул 6 и 7, в этом примере это получится 26 mV. Дополнительные пульсации также вызваны изменениями нагрузки. Это означает, что выходной конденсатор должен предоставить полный ток в нагрузку во время фазы накачки индуктивности. Разумное значение выходной емкости зависит от скорости изменений нагрузки и тока нагрузки во время изменений на выходе. С вычисленным минимальным значением 24 µF и принятыми условиями переходных процессов рекомендуемая выходная емкость должна быть в диапазоне от 47 до 100 µF. По экономическим причинам это обычно танталовый конденсатор. Таким образом, петля управления оптимизирована для использования выходных конденсаторов с ESR выше 30 mΩ. Дополнительно должен быть добавлен выходной керамический конденсатор 2.2 µF, подключенный параллельно танталовому выходному конденсатору.

Микросхема не была рассчитана на работу только с керамическими емкостями, если не добавлен последовательный резистор с керамическим конденсатором, чтобы иммитировать требуемую величину. Слишком малое ESR емкости на выходе приведет к нестабильной работе преобразователя.

Если источник питания размещен на расстоянии больше нескольких дюймов от устройства, может потребоваться дополнительный конденсатор в дополнение к керамическим блокировочным конденсаторам. Типичный выбор - электролитический или танталовый конденсатор на 47 μF.

TPS61025 Output Voltage Continuous Mode fig14

Рис. 14. TPS61025: выходное напряжение в режиме непрерывного регулирования (Continuous Mode).

TPS61027 Output Voltage Continuous Mode fig15

Рис. 15. TPS61027: выходное напряжение в режиме непрерывного регулирования (Continuous Mode).

TPS61025 Output Voltage Power Save Mode fig16

Рис. 16. TPS61025: выходное напряжение в режиме экономии энергии (Power Save Mode).

TPS61027 Output Voltage Power Save Mode fig17

Рис. 17. TPS61027: выходное напряжение в режиме экономии энергии (Power Save Mode).

TPS61025 Load Transient Response fig18

Рис. 18. TPS61025: ответ на изменение нагрузки.

TPS61027 Load Transient Response fig19

Рис. 19. TPS61027: ответ на изменение нагрузки.

TPS61025 Line Transient Response fig20

Рис. 20. TPS61025: ответ на изменение линии.

TPS61027 Line Transient Response fig21

Рис. 21. TPS61027: ответ на изменение линии.

TPS61025 Start Up After Enable fig22

Рис. 22. TPS61025: запуск после подачи сигнала разрешения работы.

TPS61027 Start Up After Enable fig23

Рис. 23. TPS61027: запуск после подачи сигнала разрешения работы.

TPS61027 example Single Alkaline Cell fig24

Рис. 24. Получение максимальной выходной мощности при питании от одной щелочной (Alkaline) батарейки. Список компонентов: U1 TPS61027DRC, L1 EPCOS B82462-G4682, C1 и C2 X7R,X5R Ceramic, C3 Low ESR Tantalum.

TPS61027 example 23 Alkaline Cell or 1 Li Ion fig25

Рис. 25. Получение для максимальной выходной мощности при питании от двух или трех щелочных батареек или от одной банки Li-Ion. Список компонентов: U1 TPS61027DRC, L1 EPCOS B82462-G4682, C1 и C2 X7R,X5R Ceramic, C3 Low ESR Tantalum.

TPS61027 example with aux positive fig26

Рис. 26. Генерация одного основного и одного маломощного дополнительного повышенного напряжения. Список компонентов: U1 TPS61027DRC, L1 EPCOS B82462-G4682, C1C2C5C6 X7R,X5R Ceramic, C3 Low ESR Tantalum, DS1 BAT54S.

TPS61027 example with aux negative fig27

Рис. 27. Генерация одного основного и одного маломощного дополнительного отрицательного напряжения. U1 TPS61027DRC, L1 EPCOS B82462-G4682, C1C2C5C6 X7R,X5R Ceramic, C3 Low ESR Tantalum, DS1 BAT54S.

[Рекомендации по разводке печатной платы]

Для всех импульсных источников питания очень важна разводка печатной платы, особенно из-за больших импульсных токов и высоких частот переключения. Если плата спроектирована неправильно, то регулятор будет показывать проблемное поведение и давать повышенный уровень помех (EMI). Таким образом, используйте в разводке широкие и короткие проводники для главных путей распространения тока и для общей шины питания. Используйте отдельный узел земли для цепи питания и отдельную землю для управления, чтобы минимизировать эффекты влияния шумов по шине земли. Соединяйте эти два узла в одном месте, максимально близко к выводам земли микросхемы. Большинство критических путей распространения тока для всех повышающих преобразователей проходят через переключающие транзисторы FET, транзисторы FET синхронного выпрямителя, выходные конденсаторы, и обратно в землю через ключевой транзистор FET. Таким образом, оба входных конденсатора и их соединительные проводники должны размещаться в том же слое печатной платы, что и микросхема, как можно ближе к её выводам VOUT и PGND. Особенно на выходных напряжениях выше 4.5V добавление RC-демпфера (snubber) от вывода SW к выводу PGND может помочь в дополнительном уменьшении паразитной индуктивности, ухудшающей критический путь тока. См. указания по применению SLVA255 для дополнительной информации по реализации демпфера. Кроме того, входной конденсатор должен быть размещен как можно ближе между выводами VBAT и PGND микросхемы. Размещение индуктивности близко к выводу SW с соединением её широким и короткими трассами поможет повысить эффективность и минимизировать EMI. Чтобы развести землю цепи управления также рекомендуется использовать короткие проводники, отделенные от проводников земли мощного питания. Это позволит избежать смещения уровня земли, который может возникнуть из-за сложения мощных токов земли и тока управления. Ниже на рисунке показан рекомендуемый образец разводки.

TPS6102x PCB Layout Recommendation fig28

Рис. 28. Рекомендуемая разводка печатной платы.

[Охлаждение]

Реализация низкопрофильных интегральных схем в корпусах поверхностного монтажа с близко расположенными выводами требует особого внимания к рассеиванию тепла. Улучшение качества охлаждения можно достичь за счет за счет правильной разработки печатной платы, специального монтажа компонентов на плате и организации потока воздуха в системе.

Максимальная рекомендованная температура кристалла (junction temperature, TJ) для микросхем TPS6102x составляет 125°C. Термосопротивление 10-выводного корпуса VSON 3 × 3 мм (DRC) RΘJA = 47.2°C/W, если используется пайка площадки PowerPAD. Указанная работа регулятора гарантируется при максимальной температуре окружающего воздуха (ambient temperature, TA) 85°C. Таким образом, максимальная рассеиваемая мощность составляет около 847 mW. Большая мощность может рассеиваться, если ниже максимальная окружающая температура.

TPS6102x Equation8 [Формула 8]

TPS6102x VSON10 package dimensions

TPS6102x VSON10 land pattern

TPS6102x VSON10 solder paste template

Примечания:

1. Все линейные размеры даны в миллиметрах. Любые размеры в круглых скобках даны только как оценочные. Размеры и допуски соответствуют ASME Y14.5M.
2. Нижняя теплоотводящая площадка должна быть припаяна на печатную плату для достижения оптимальных тепловых и механических параметров.
3. Этот корпус разработан для пайки на пайку с задействованием теплоотводящей площадки на донце. Для дополнительной информации см. апноут Texas Instruments SLUA271 (www.ti.com/lit/slua271).
4. Наличие переходных отверстий это опция, применяемая в зависимости от приложения. Если реализованы любые переходные отверстия, то их можно разместить так как показано на этой картинке.
5. Вырезанные лазером апертуры с трапецеидальными стенками и скругленными углами лучше всего подойдут для выхода паяльной пасты. См. IPC-7525 с рекомендациями по альтернативному дизайну.

[Ссылки]

1. TPS6102x Boost Converter Down Conversion Mode site:ti.com.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Top of Page