TPS5602：高效雙路DSP電源控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的應(yīng)用越來越廣泛，而穩(wěn)定高效的電源供應(yīng)是保證其正常工作的關(guān)鍵。TI公司的TPS5602雙路同步降壓開關(guān)模式電源控制器，以其快速的反饋控制和最少的元件數(shù)量，成為了DSP電源設(shè)計(jì)的理想選擇。本文將詳細(xì)介紹TPS5602的特性、功能以及在DSP電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

文件下載：TPS5602IDBTR.pdf

二、TPS5602概述

2.1 主要特性

• 獨(dú)立雙通道：兩個(gè)通道相互獨(dú)立，可通過設(shè)置待機(jī)引腳輕松實(shí)現(xiàn)上下電順序控制。
• 滯回控制：采用滯回控制方法，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)，適用于高瞬態(tài)電流應(yīng)用，如’C6000和多個(gè)’C54x DSP。
• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可調(diào)節(jié)至低至1.2V。
• 高效率：同步整流技術(shù)使效率超過95%。
• 低功耗：典型供電電流為0.8mA，待機(jī)電流最大為1μA。
• 封裝形式：采用30引腳TSSOP封裝。
• 評(píng)估模塊：提供EVM（TPS5602EVM - 121）供用戶測(cè)試和評(píng)估。

2.2 功能框圖

TPS5602的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括軟啟動(dòng)、滯回比較器、電流保護(hù)、振蕩器等模塊，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的精確控制。

三、引腳功能詳解

3.1 關(guān)鍵引腳

• COMP：電壓監(jiān)測(cè)比較器輸入，用于電壓保護(hù)，如DSP電源的輸出欠壓保護(hù)。
• CT：振蕩器頻率外部電容連接引腳，用于設(shè)置振蕩器頻率。
• GND：控制地。
• INV1/INV2：通道1/2滯回比較器反相輸入。
• LH1/LH2：通道2/1高端柵極驅(qū)動(dòng)升壓電容輸入。
• LL1/LL2：通道1/2高端驅(qū)動(dòng)和電流保護(hù)。
• OUT1_d/OUT2_d：通道1/2低端柵極驅(qū)動(dòng)輸出。
• OUT1_u/OUT2_u：通道1/2高端開關(guān)輸出。
• OUTGND1/OUTGND2：輸出地。
• REF：1.185V參考電壓輸出。
• REG5V_IN：外部5V輸入。
• SOFTSTART1/SOFTSTART2：通道1/2軟啟動(dòng)控制外部電容連接。
• STBY1/STBY2：通道1/2待機(jī)控制。
• TRIP1/TRIP2：通道1/2輸出電流控制輸入。
• VCC：電源電壓輸入。
• Vref5：5V內(nèi)部穩(wěn)壓器輸出。
• VCCSENSE：電源電壓檢測(cè)輸入。

四、詳細(xì)工作原理

4.1 參考電壓

• 1.185V參考電壓：用于輸出電壓設(shè)置和電壓保護(hù)（COMP）。
• 5V參考電壓：內(nèi)部線性穩(wěn)壓器提供固定5V電壓作為自舉電壓，公差為6%，還可用于為外部電路供電。

4.2 5V開關(guān)

當(dāng)內(nèi)部5V開關(guān)檢測(cè)到REG5V引腳有5V輸入時(shí)，內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器將與MOSFET驅(qū)動(dòng)器斷開，外部5V將用于低端驅(qū)動(dòng)器和高端自舉，從而提高效率。

4.3 滯回比較器

每個(gè)通道都有一個(gè)滯回比較器，用于調(diào)節(jié)同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。滯回值內(nèi)部設(shè)定，典型值為8.5mV，從比較器輸入到驅(qū)動(dòng)器輸出的總延遲，低到高典型為500ns，高到低典型為350ns。

4.4 驅(qū)動(dòng)器

• 低端驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低Rds(on)的n溝道MOSFET，最大驅(qū)動(dòng)電壓為5V，驅(qū)動(dòng)電流典型值為1A（源極和漏極）。
• 高端驅(qū)動(dòng)器：同樣設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)低Rds(on)的n溝道MOSFET，驅(qū)動(dòng)電流為1A（源極和漏極）。當(dāng)配置為浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的偏置電壓由Vref5產(chǎn)生，限制OUTxU和LLx之間的最大驅(qū)動(dòng)電壓為5V，LHx和OUTGNDx之間的最大電壓為30V。

4.5 死區(qū)時(shí)間控制

死區(qū)時(shí)間控制通過主動(dòng)控制MOSFET驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通時(shí)間，防止在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間主功率FET出現(xiàn)直通電流。從低端驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷到高端驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通的典型死區(qū)時(shí)間為75ns，從高端驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷到低端驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通的典型死區(qū)時(shí)間為164ns。

4.6 電流保護(hù)

通過VCC Sense和LLx引腳在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)檢測(cè)高端功率MOSFET的漏源電壓降來實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)。Vin和TRIPx引腳之間的外部電阻與連接到電流比較器負(fù)輸入的內(nèi)部電流源一起調(diào)整電流限制。典型內(nèi)部電流源電流為15μA。當(dāng)正引腳電壓低于負(fù)引腳電壓時(shí)，電流比較器觸發(fā)振蕩器，振蕩器反復(fù)重置觸發(fā)，直到過流條件消除。外部電阻選擇公式為： [R{clmt}=frac{R{ds(on)}times(I{trip}+I{ind(p - p)}/2)}{0.000015}] 其中，(R{ds(on)})是MOSFET導(dǎo)通電阻，(I{trip})是所需的跳閘電流，(I{ind(p - p)})是電感紋波電流峰峰值，(I{trip})必須大于(0.5times I_{ind(p - p)})，公差為±30%。

4.7 軟啟動(dòng)

獨(dú)立的軟啟動(dòng)端子可以設(shè)置每個(gè)輸出的啟動(dòng)順序。啟動(dòng)時(shí)間的電容值可通過以下公式計(jì)算： [C = 2times Tquad(mu F)] 其中，(C)是外部電容值，(T)是所需的啟動(dòng)時(shí)間（ms）。

4.8 待機(jī)控制

通過將STBY引腳接地，兩個(gè)通道可以分別進(jìn)入待機(jī)模式，待機(jī)電流小于1μA，STBY引腳還可用于電源順序控制。

4.9 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電壓上升到約3.8V時(shí)，IC開啟；當(dāng)輸入電壓低于開啟值時(shí)，IC關(guān)閉，典型滯回值為149mV。

五、電氣特性

5.1 絕對(duì)最大額定值

TPS5602的絕對(duì)最大額定值規(guī)定了其正常工作的電壓、電流和溫度范圍，如電源電壓Vcc為 - 0.3V至27V，輸入電壓VJ、INV為 - 0.3V至7V等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

5.2 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓Vcc為4.5V至25V，INV1/2、COMP、SOFTSTART1/2等引腳的電壓范圍，以及工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至85°C。

5.3 電氣參數(shù)

在推薦的溫度范圍（(TA=-40^{circ}C)至85°C）和(V{CC}=7V)條件下，TPS5602的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)良好，如參考電壓Vref典型值為1.185V，靜態(tài)電流ICC典型值為0.8mA等。

六、典型特性曲線

文檔中給出了多個(gè)典型特性曲線，如靜態(tài)電流與電源電壓的關(guān)系、驅(qū)動(dòng)輸出電壓與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系、軟啟動(dòng)電容與軟啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系等。這些曲線有助于工程師更好地了解TPS5602在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。

七、應(yīng)用信息

7.1 DSP電源應(yīng)用

TPS5602提供了一個(gè)適用于DSP的參考設(shè)計(jì)，評(píng)估模塊TPS5602EVM - 121可供用戶測(cè)試和評(píng)估。該EVM的輸入電壓為4.5V至9V，輸出為1.8V/4A和3.3V/3A。通過改變一些組件，可用于不同的工作規(guī)格，如高輸入電壓應(yīng)用。

7.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)公式

• 開關(guān)頻率： [fs=frac{V{out}times(V{in}-V{out})times(ESR-(10times10^{-7}+Td)/C{out})}{V{in}times(V{in}times ESRtimes(10times10^{-7}+Td)+0.007times L{out}-ESLtimes V_{in})}] 其中，(fs)是開關(guān)頻率（Hz），(V{out})是輸出電壓（V），(V{in})是輸入電壓（V），(C{out})是輸出電容，ESR是輸出電容的等效串聯(lián)電阻（Ω），ESL是輸出電容的等效串聯(lián)電感（H），(L_{out})是輸出電感（H），(T_d)是輸出反饋濾波器時(shí)間常數(shù)（S）。
• 輸出電感紋波電流： [I{ripple}=frac{V{in}-V{out}-I{out}times(R{dson}+R{L})}{L_{out}}times Dtimes Ts] 其中，(I{ripple})是電感峰峰值紋波電流（A），(V{in})是輸入電壓（V），(V{out})是輸出電壓（V），(I{out})是輸出電流，(R{dson})是MOSFET導(dǎo)通電阻（Ω），(D)是占空比，(T_s)是開關(guān)周期（S）。
• 輸出電容RMS電流： [I{o(rms)}=frac{Delta I}{sqrt{12}}] 其中，(I{o(rms)})是輸出電容的最大RMS電流（A），(Delta I)是電感峰峰值紋波電流（A）。
• 輸入電容RMS電流： [I{i(rms)}=I{o}times(Dtimessqrt{(1 - D)}+(1 - D)timessqrt{D})] 其中，(I{i(rms)})是輸入電容的RMS電流（A），(I{o})是輸出電流（A），(D)是占空比。

7.3 電源順序和欠壓保護(hù)

EVM設(shè)計(jì)使用待機(jī)引腳實(shí)現(xiàn)電源順序控制，可通過電壓監(jiān)控電路（如TI TPS3305 - 18）或低成本比較器（如TI TLV1391）實(shí)現(xiàn)保護(hù)。當(dāng)?shù)谝煌ǖ垒敵鲭妷焊哂趩?dòng)閾值電壓時(shí)，第二通道的待機(jī)引腳才會(huì)被拉高。在電源下降過程中，如果核心電壓低于設(shè)定值（如1.3V），3.3V輸出也會(huì)被拉低，防止DSP因電源故障而損壞。

7.4 布局考慮

良好的電源設(shè)計(jì)和布局對(duì)于TPS5602的性能至關(guān)重要。布局時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

• 所有敏感模擬組件應(yīng)參考ANAGND，如連接到Vref5、Vref、INV、LH和COMP的組件。
• 模擬地和驅(qū)動(dòng)地應(yīng)盡可能隔離，模擬地連接到(V_{O})上大容量存儲(chǔ)電容的接地端，驅(qū)動(dòng)地連接到靠近低端FET源極的主接地平面。
• 驅(qū)動(dòng)器到功率FET柵極的連接應(yīng)盡量短而寬，以減少雜散電感。
• (V_{CC})的旁路電容應(yīng)靠近TPS5602放置。

八、測(cè)試結(jié)果

文檔給出了TPS5602在不同輸出電壓下的效率、負(fù)載調(diào)節(jié)、線路調(diào)節(jié)、電源上下電順序、輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)等測(cè)試結(jié)果，這些結(jié)果展示了TPS5602在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

九、總結(jié)

TPS5602作為一款雙路、快速、高效的DSP電源控制器，具有獨(dú)立雙通道、滯回控制、寬輸入電壓范圍、高效率等優(yōu)點(diǎn)。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以滿足DSP等設(shè)備對(duì)電源的高性能要求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求，參考文檔中的設(shè)計(jì)公式和應(yīng)用信息，實(shí)現(xiàn)TPS5602的最佳性能。你在使用TPS5602進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。