基于TPS6211x的电源设计的主要考虑因素

2万 · 2013-1-31 14:17

DC/DC转换器TPS6211x是一种同步转换器,其输入电压高达17V,输出电压范围为从1.2V到16V,输出电流高达1.5A.。此器件能有效地将2节锂离子或铅酸电池,或12到15V的系统降低到5V、3.3V或更低。其典型应用电路如图1所示。本文给出了一个应用举例,总结采用转换器TPS6211x进行电源设计的关键特性和考虑因素。完整的场效应管和内部补偿将所需的外部元件数目降低到很小。由于不需要完整的输入输出电压监控电路,因而固定的输出电压(5V或3.3V)只需要4个元件：一个用作电源开关的输入电容器、一个用于模拟输入端的输入滤波电容器、一个输出电容器(C)、一个电源电感(L)。此器件已内部进行补偿,可采用6.8μH电感和至少22μF电容。L和C的其它值能够使系统工作良好,而且增加L或C的值都会减小输出纹波。为保持稳定,建议L和C的乘积至少保持在6.8 μH ??22 μF左右。
可调节的系统提供1.2到16V的输出电压,它另外还需要两个反馈电阻器和一个前馈电容器。当实际输出高于额定电压的98.6%时,输出电压监控电路(称为好的电源或PG输出)会给出一个逻辑高电平。低电压指示器是单机监控电路,只有当EN端为高电平时才导通,此电路有一个低压输入(LBI)以监控电池输入电压,还有一个低电压输出(LBO)用来在输入电压降到某一个特定的值时给出一个逻辑低电平。LBI需要两个外反馈电阻来设置跳变点,如果不接电阻就应该像图1一样接地。PG和LBO都是为最大用户灵活性设计的开漏输出,用到时可以接上拉电阻,如果不用,则要悬空。

2万 · 2013-1-31 14:17

输出电压特性与输出电流 在器件中,具有自主知识产权的控制体系确保输出电压维持在输出电压调整率±3%内(不包括反馈电阻公差)。当17V >VIN> 6 V时,IC的高电压PMOS FET有足够的门驱动来提供±3%的校准(从没有负载到负载电流等于1.5A)。在低输入电压下,IC仍然能够进行±3%的调节,当6 V>VIN > 4.3V时,可以从无负载的情况下增大到1.2 A,当4.3V>VIN > 3.5 V时,可以从无负载的情况下增大到500 mA,当3.5 V>VIN> 3.1V时,可以从无负载的情况下增大到300mA。利用高端PMOS场效应管,则允许100%的负载循环运行。在这期间,为最大化电池寿命,输出直接接到几乎耗尽的电池上。
考虑到要用输出滤波产品,此器件应该补偿以提供很好的负载暂态性能。因此,在控制环响应前输出负载的快速变化并不能导致很大的输出电压降。如图2所示在一个带有22μF的输出电容器的1A的负载瞬变(强制脉宽调制模式)下,输出电压下降少于100mV。一个更大的输出电容器能进一步减小电压降。

2万 · 2013-1-31 14:17

脉宽调制与省电模式 对于所有变换,功率都随输入到输出电压微分呈相反变化。而且,由于IC的静态电流和开关损耗决定输出电压,因此固定频率的脉宽调制变换器的功率在低负载时急剧下降。为了提高低负载时的功率,TPS6211x有一个通过把SYNC接地实现的脉冲频率调制(PFM)或省电模式。VOUT = 3.3 V时的功率曲线和激活的省电模式下的各种输入电压如图3。
在省电模式下,TPS6211x的静态电流会减小。开关导通时间只能保证在给定的负载电流下,输出电压在调整率内。这中类型的操作能使输出电压纹波稍微变大(高达输出电压的1%)而且频率会变化直到被转变为VIN > 7 V,电流高于大约280 mA固定频率的脉宽调制模式。在省电模式下,没有最小负载循环。有铜覆盖的低rDS(ON)场效应管减小I2R,而且在高的负载阻抗下保持其高功率。

2万 · 2013-1-31 14:18

通过把SYNC接到个高电平VIN或接到外部振荡器,TPS6211x能被强制转换为固定频率的脉宽调制模式,而且会产生整个负载范围内低振幅固定频率的输出纹波(通常＜10 mVPP)。将VIN接高电平会产生1MHz固定频率的运行。在频率为800 kHz到800 kHz之间时,此器件能通过SYNC接到外部振荡器达到同步。另外,既然同步场效应管能使电流流回到输入,所以在电感中总有电流在流动,使它在整个负荷范围内保持连续传导。这就消除了其它转换进入不连续的状态后发生那个在开关节点上的声音。因此,在低负载下稍微降低频率,将TPS6211x强制转到脉宽调制模式能产生很低噪声的运行。

输出功率

对于一个没有空气流动的高电介质板,TPS6211x的PowerPAD的4mm×4mm QFN封装带有一个8°C/W 的连接至焊盘热敏电阻Rθjp,和一个大约40°C/W的连接到环境的热敏电阻RθjA。功率耗散用PDmax=( TJmax- TA)/RθjA来计算,最大输出功率用下式计算：

POUTmax= PDmax/(1/η-1)

这里TJmax=125℃,η是额定功率。例如,对于IOUT=1.5A时典型的85%和89%效率,3.3和5V的固定输出模式能很容易地在环境温度为85°C时从12V的输入模式分别得到4.95和7.5W。

2万 · 2013-1-31 14:18

典型应用

TPS6211x中的降压转换器很理想的获得了大范围的应用。例如,在计算领域,转换器的快速暂态响应对于在服务器/工作站或个人打印机上电源快速切换的数字电路中将12V的输入降为5或3.3V(或更低)是很有用的。像机顶盒等消费者应用软件典型的都有12V交直流电源,还有便携式DVD机,要么有9V或12V的适配器,要么有双重锂离子输入电源(8.4V),通常为输入/输出电源都需要将它们的输入降到5V及(或)3V总线电压。

总线电压的进一步降低转换有额外的DC/DC转换器和(或)线性校准仪来激励较低的电压,还需要IC。然而,由于其高效、低噪声的运行,和最小的负载循环,TPS6211x能够直接驱动低电压的处理器及其外围电路,因此如果需要,可以消除重型总线电压,提高效率和电压寿命。既然12V和15V模式在工业应用中是很普遍的,这种具有低噪声和同步特点的转换器可以作为集中荷载校准仪来驱动一个数据采集系统。最后,双核锂离子和铅酸电池系统如备用电池或报警系统用LBI/LBO特点征,和100%负载循环模式通过延长电池寿命来提供最大运行时间。

基于TPS6211x的电源设计的主要考虑因素

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