TPS50601-SP輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境下的應(yīng)用，需要性能可靠且具備輻射耐受性的電源轉(zhuǎn)換器。德州儀器（TI）的TPS50601 - SP輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器就是這樣一款出色的產(chǎn)品，下面我們來詳細(xì)了解它的特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品特性

1.1 輻射耐受性

TPS50601 - SP具有出色的輻射耐受性，其輻射硬度保證（RHA）高達(dá)總電離劑量（TID）100 krad (Si)，并且無電離劑量率相關(guān)效應(yīng)（ELDRS），單粒子鎖定（SEL）免疫能級(jí)達(dá)到 (LET = 85 MeV - cm^{2} / mg) ，還對(duì)單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)糯⊿EGR）免疫至 (85 MeV - cm^{2} / mg) 。這些特性使得它非常適合在輻射環(huán)境惡劣的空間衛(wèi)星等應(yīng)用中使用。

1.2 高效性能

該轉(zhuǎn)換器的峰值效率可達(dá)95%（(V_{O}=3.3 V) ），集成了55 - mΩ/50 - mΩ的MOSFET，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，它支持靈活的開關(guān)頻率選項(xiàng)，內(nèi)部振蕩器可在100 - kHz至1 - MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，還具備外部同步能力，同步引腳可配置為500 - kHz輸出，適用于主從應(yīng)用。

1.3 寬輸入電壓范圍

它采用了分離式電源軌設(shè)計(jì)，PVIN引腳的輸入電壓范圍為1.6至6.3 V，VIN引腳的輸入電壓范圍為3至6.3 V，最大輸出電流可達(dá)6 A，能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

1.4 其他特性

• 具有0.795 - V ±1.258%的電壓參考（25°C時(shí)），保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 能夠單調(diào)啟動(dòng)進(jìn)入預(yù)偏置輸出，可通過外部電容實(shí)現(xiàn)可調(diào)軟啟動(dòng)。
• 具備輸入使能和電源良好輸出功能，可用于電源排序，還能對(duì)欠壓和過壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
• 采用20 - 引腳熱增強(qiáng)型陶瓷扁平封裝（HKH），有利于散熱。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 空間衛(wèi)星

TPS50601 - SP可作為空間衛(wèi)星現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、微控制器和專用集成電路（ASIC）的負(fù)載點(diǎn)電源，為這些關(guān)鍵部件提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。同時(shí)，它也適用于空間衛(wèi)星的有效載荷部分。

2.2 輻射耐受應(yīng)用

在其他需要輻射耐受性的應(yīng)用中，該轉(zhuǎn)換器也能發(fā)揮重要作用，并且其工作溫度范圍為 - 55°C至125°C，能夠適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境條件。

三、詳細(xì)描述

3.1 工作原理

TPS50601 - SP是一款6.3 - V、6A的同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了兩個(gè)N溝道MOSFET。它采用恒頻峰值電流模式控制，可簡(jiǎn)化外部頻率補(bǔ)償，提高線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。其開關(guān)頻率范圍為100 kHz至1 MHz，在選擇輸出濾波組件時(shí)可實(shí)現(xiàn)效率和尺寸的優(yōu)化。

3.2 引腳功能

該轉(zhuǎn)換器的引腳功能豐富，例如：

• VIN引腳為內(nèi)部控制電路供電，PVIN引腳為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供輸入電壓，兩者可一起或分開使用。
• EN引腳用于控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉，具有內(nèi)部上拉電流源，可通過兩個(gè)外部電阻調(diào)整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）。
• RT引腳在內(nèi)部振蕩模式下，通過連接到地的電阻來設(shè)置開關(guān)頻率。
• SYNC引腳可作為可選的1 - MHz外部系統(tǒng)時(shí)鐘輸入，也可配置為輸出時(shí)鐘。

3.3 特性描述

• 輸出電壓調(diào)整：通過從輸出（VOUT）到VSENSE引腳的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓，推薦使用1%公差或更好的分壓電阻。
• 最大占空比限制：只要引導(dǎo)電容電壓高于預(yù)設(shè)的BOOT - PH UVLO閾值（通常為2.2 V），TPS50601 - SP就可以按相應(yīng)公式計(jì)算的占空比運(yùn)行。
• 安全啟動(dòng)：在單調(diào)預(yù)偏置啟動(dòng)期間，低側(cè)MOSFET在SS/TR引腳電壓高于1.4 V之前不允許吸收電流，防止預(yù)偏置輸出放電。
• 誤差放大器：采用跨導(dǎo)誤差放大器，將VSENSE引腳電壓與SS/TR引腳電壓或內(nèi)部0.795 - V電壓參考中的較低值進(jìn)行比較。
• 斜率補(bǔ)償：為開關(guān)電流信號(hào)添加補(bǔ)償斜坡，防止次諧波振蕩，確保在整個(gè)占空比范圍內(nèi)可用的峰值電感電流保持恒定。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

4.1 設(shè)計(jì)要求

以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)為例，假設(shè)輸出電壓為3.3 V，輸出電流為6 A，瞬態(tài)響應(yīng)為1 - A負(fù)載階躍時(shí)ΔVout = 5%，輸入電壓為5 V標(biāo)稱值（4.5至6.3 V），輸出電壓紋波為33 mV p - p，啟動(dòng)輸入電壓為4.425 V，停止輸入電壓為4.234 V，開關(guān)頻率為480 kHz。

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

4.2.1 工作頻率選擇

選擇適中的開關(guān)頻率（如480 kHz），可在實(shí)現(xiàn)小尺寸解決方案的同時(shí)保證較高的轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)檩^高的開關(guān)頻率可使用較低值的電感和較小的輸出電容，但會(huì)增加開關(guān)損耗，影響效率和熱性能。

4.2.2 輸出電感選擇

根據(jù)公式 (L 1=frac{ Vinmax - Vout }{ lo.Kind } cdot frac{ Vout }{ Vinmax cdot f sw}) 計(jì)算輸出電感值，其中KIND為電感紋波電流與最大輸出電流的相對(duì)系數(shù)，通常取值在0.1至0.4之間。在本設(shè)計(jì)中，KIND取0.1，計(jì)算得到電感值為2.78 μH，選擇標(biāo)準(zhǔn)值3.3 μH的電感。同時(shí)，要確保所選電感的RMS電流和飽和電流額定值不被超過。

4.2.3 輸出電容選擇

選擇輸出電容時(shí)需考慮三個(gè)主要因素：確定調(diào)制器極點(diǎn)、輸出電壓紋波和對(duì)負(fù)載電流大變化的響應(yīng)。根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算，在本設(shè)計(jì)中，為滿足負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求，最小電容值為25 μF；為滿足輸出電壓紋波要求，最小電容值為13.2 μF，同時(shí)要求ESR小于19.7 mΩ。最終選擇47 μF 6.3V X5R陶瓷電容，其ESR為3 mΩ，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.4 輸入電容選擇

TPS50601 - SP需要在PVIN和VIN輸入電壓引腳分別使用至少4.7 μF的高質(zhì)量陶瓷（X5R或X7R）輸入去耦電容。在某些應(yīng)用中，可能還需要額外的大容量電容。輸入電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓，且其紋波電流額定值要大于轉(zhuǎn)換器的最大輸入電流紋波。

4.2.5 其他組件選擇

• 慢啟動(dòng)電容：根據(jù)公式 (C 5(nF)=frac{Tss(m s) × Isss (mu A)}{Vref(V)}) 計(jì)算，在本設(shè)計(jì)中，軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)為3.5 ms，需要10 - nF的電容。
• 引導(dǎo)電容：需在BOOT和PH引腳之間連接一個(gè)0.1 - μF的陶瓷電容，推薦使用X5R或更好等級(jí)的電介質(zhì)，電壓額定值為10 V或更高。
• 欠壓鎖定（UVLO）設(shè)置點(diǎn)：通過外部電壓分壓器網(wǎng)絡(luò)R6a和R7a調(diào)整UVLO，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算電阻值。
• 輸出電壓反饋電阻：使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)R5和R6設(shè)置輸出電壓，根據(jù)公式計(jì)算電阻值。
• 補(bǔ)償組件：通過計(jì)算調(diào)制器極點(diǎn)和ESR零點(diǎn)，選擇合適的補(bǔ)償組件，以保證調(diào)節(jié)器具有較高的相位裕度。

五、布局建議

5.1 布局準(zhǔn)則

布局是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。頂層應(yīng)包含VIN、VOUT和VPHASE的主要功率走線，以及TPS50601 - SP其余引腳的連接，并填充大面積的接地層。頂層接地層應(yīng)通過過孔與內(nèi)部接地層連接，為散熱提供路徑。同時(shí)，要注意各引腳的旁路電容選擇和連接，盡量減少環(huán)路面積，降低噪聲和干擾。

5.2 布局示例

參考提供的PCB布局示例，合理安排各組件的位置，確保信號(hào)路徑和電源路徑的合理性，以提高電源的性能和穩(wěn)定性。

總之，TPS50601 - SP輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器以其出色的性能和豐富的功能，為空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境下的應(yīng)用提供了可靠的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇和配置各個(gè)組件，并遵循布局準(zhǔn)則，以確保轉(zhuǎn)換器能夠穩(wěn)定、高效地工作。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。