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TPS54160 1.5-A,60-V,带ECO模式的降压DC/DC转换器

时间:2019-6-6, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

特点

说明TPS54160A装置是一个60-V,1.5-A,降压1.3.5 V至60 V输入电压范围调节器,带有集成的高压侧MOSFET。200-MΩ高压侧MOSFET电流模式控制提供简单的外部 在轻负载下效率高,脉冲补偿和灵活的元件选择。跳过ECO模式™低纹波脉冲跳过模式将无负载、调节输出电源电流降低至116μA。使用TPS54160A比启用引脚具有更严格的启用阈值,关闭电源电流降低至1.3TPS54160以获得更精确的uvlo电压μA。可调uvlo电压和电压锁定下的滞后是内部的。设置为2.5 V,但使用启用引脚可增加116μA的工作静态电流。输出 μA关闭电流电压启动斜坡由慢启动100 kHz至2.5 MHz的开关频率引脚控制,该引脚也可配置用于排序/跟踪。开漏电源良好与外部时钟信号同步表明输出在可调慢启动/排序其额定电压的94%至107%范围内。紫外线和OV功率输出良好,开关频率范围宽,可优化效率0.8-V内部参考电压和外部元件尺寸。MSOP10和3MM x 3MM VSON封装,具有频率向后折叠和热关机功能,可在过载情况下保护PowerPad™部件。由Webbench和SwitcherPro设备信息软件工具订单号包(PIN)车身尺寸TPS54160DGQ2应用MSOP(10)3毫米x 3毫米TPS54160ADGQ 12-V、24-V和48-V工业和商业TPS54160ADRC VSON(10)3毫米x 3毫米低功率系统支持售后市场汽车配件:视频、GPS、娱乐

详细描述
TPS54160A器件是一个60-V,1.5-A,降压(降压)调节器与一个集成的高侧N沟道MOSFET。为了提高线路和负载瞬变期间的性能,该装置实现了一个恒定频率、电流模式控制,减少了输出电容并简化了外部频率补偿设计。在选择输出滤波器元件时,100kHz至2500kHz的宽开关频率可实现效率和尺寸优化。在RT/CLK引脚上使用电阻对地调整开关频率。该装置在RT/CLK引脚上有一个内部锁相环(PLL),用于将打开的电源开关同步到外部系统时钟的下降沿。
TPS54160A的默认启动电压约为2.5 V。en针具有一个内部上拉电流源,可用于用两个外部电阻器调整输入电压欠压锁定(uvlo)阈值。此外,上拉电流提供默认条件。当en-pin浮动时,设备运行。不切换、空载时工作电流为116μA。当设备被禁用时,电源电流为1.3μA。集成的200MΩ高压侧MOSFET允许高效电源设计,能够向负载提供1.5 A的连续电流。TPS54160A通过集成引导充电二极管来减少外部部件计数。集成高压侧MOSFET的偏压由启动至ph引脚上的电容器提供。启动电容器电压由一个uvlo电路监控,当启动电压低于预设阈值时,启动高压侧MOSFET关闭。TPS54160A可以在高占空比下工作,因为启动UVLO。输出电压可以降低到0.8V参考电压的最低值。
TPS54160A有一个功率良好比较器(PWRGD),当调节输出电压小于92%或大于额定输出电压的109%时,该比较器断言。pwrgd插脚是一个开漏输出,当Vsense插脚电压在额定输出电压的94%到107%之间时,该输出断开,允许插脚在使用上拉电阻器时转换为高电压。
TPS54160A利用OV功率良好比较器将过大的输出过电压(OV)瞬态降至最低。当OV比较器被激活时,高压侧MOSFET被关闭并屏蔽,直到输出电压低于107%。
SS/TR(慢速启动/跟踪)引脚用于在通电期间最小化涌入电流或提供电源排序。一个小值电容器应耦合到引脚,以调整缓慢的启动时间。电阻分压器可以连接到管脚,以满足关键的电源排序要求。SS/TR引脚在输出通电前放电。此放电确保在超温故障、uvlo故障或禁用状态后可重复重启。
TPS54160A还通过过载恢复电路在过载条件下对慢启动电容器放电。一旦排除故障条件,过载恢复电路将使从故障电压到额定调节电压的输出缓慢启动。频率折叠电路在启动和过流故障条件下降低开关频率,以帮助控制电感电流。

功能描述
定频PWM控制
TPS54160A采用可调固定频率、峰值电流模式控制。输出电压通过Vsense管脚上的外部电阻与由驱动comp管脚的误差放大器提供的内部电压基准进行比较。内部振荡器启动高压侧电源开关。将误差放大器输出与高压侧电源开关电流进行比较。当电源开关电流达到补偿电压设定的水平时,电源开关关闭。随着输出电流的增大和减小,补偿管脚电压将增大和减小。该装置通过将补偿管脚电压限制在最大水平来实现电流限制。ECO模式™在压缩机销上使用最小夹钳实现。
斜坡补偿输出电流
TPS54160A为开关电流信号增加了一个补偿斜坡。这种斜坡补偿可以防止次谐波振荡。在整个占空比范围内,可用的峰值电感电流保持恒定。
脉冲跳过ECO模式
当comp引脚上的电压为最小钳位值时,TPS54160A进入脉冲跳过模式。TPS54160A在轻负载电流下以脉冲跳跃模式工作,以提高效率。脉冲跳跃模式期间的峰值开关电流将是50mA的较大值或峰值电感电流,这是最小接通时间、输入电压、输出电压和电感值的函数。当负载电流较低且输出电压在规定范围内时,装置将进入休眠模式,仅抽取116μA输入。

特性描述(续)静态电流。当设备处于休眠模式时,输出功率由输出电容器提供。随着负载电流的减小,输出电容器提供负载电流的时间增加,开关频率降低,降低门极驱动和开关损耗。当输出电压下降时,TPS54160A从休眠模式唤醒,电源开关打开,为输出电容器充电,在休眠模式下,内部PLL保持工作状态。在脉冲跳跃模式中,当在轻负载电流下工作时,开关转换与外部时钟信号同步发生。
脉冲跳跃模式操作
导电压(引导)
TPS54160A有一个集成的启动调节器,需要在启动和ph引脚之间有一个小陶瓷电容器,为高压侧MOSFET提供栅极驱动电压。陶瓷电容器的值应为0.1μF。由于温度和电压特性稳定,建议使用X7R或X5R级介质的陶瓷电容器。为了提高电压降,TPS54160A设计为在100%占空比下工作,只要启动至ph引脚电压大于2.1 V。当启动至ph的电压降到2.1 V以下时,使用允许低侧二极管导通的uvlo电路关闭高侧MOSFET,这允许对启动电容器进行刷新。由于来自启动电容器的电源电流较低,因此高压侧MOSFET可以保持开启比其刷新更多的开关周期,因此,由于启动调节器系统的有效占空比限制较高。
低辍学操作
调压器失压期间的占空比主要由功率MOSFET、电感、低压侧二极管和印刷电路板电阻的电压降决定。在输入电压下降的工作条件下,高压侧MOSFET可以保持100%的占空比,以保持输出调节或直到引导至ph电压降至2.1 V以下。
一旦高压侧关闭,低压侧二极管将导通,启动电容器将重新充电。在这个启动电容器充电时间,电感电流将下降,直到高压侧MOSFET打开。充电时间比以往开关周期的典型高侧关断时间长,因此电感电流纹波较大,导致输出纹波电压较大。充电时间是输入电压、启动电容值和内部启动充电二极管阻抗的函数。
需要注意的是,在没有负载电流的情况下,最大占空比应用会经历较长的时间段。在输入电压和输出电压相差小于3V的应用中,当引导电容器两端的电压低于2.1V阈值时,高压侧MOSFET将关闭,但电感中没有足够的电流来拉下ph引脚,以给引导电容器充电。调节器不会切换,因为启动电容器小于2.1V,输出电容器将衰减,直到输入电压和输出电压的差为2.1V。此时,启动欠压锁定被超过,设备将切换,直到达到所需的输出电压。

特性描述(续)电压与负载电流成正比。启动电压定义为调节输出在1%以内所需的输入电压。停止电压是指输出电压下降5%或停止开关时的输入电压。
误差放大器

TPS54160A有一个用于误差放大器的跨导放大器。误差放大器将Vsense电压与ss/tr引脚电压或内部0.8伏参考电压的较低值进行比较。在正常工作时,误差放大器的跨导(gm)为97μA/V。在慢启动操作中,跨导只是正常工作跨导的一小部分。当Vsense管脚的电压低于0.8V,并且设备使用SS/TR电压进行调节时,跨导为26μA/V。频率补偿元件(电容器、串联电阻和电容器)被添加到comp管脚对地。
电压基准
电压基准系统通过缩放温度稳定带隙电路的输出,产生精确的±2%的温度参考电压。
调整输出电压
输出电压通过电阻分压器从输出节点设置到Vsense引脚。建议使用1%的公差或更好的分压电阻。从一个10 kΩ的R2电阻开始,用公式1计算R1。为了提高轻负载下的效率,考虑使用更大的电阻值。如果该值太高,调节器将更容易受到噪声的影响,并且可以注意到来自Vsense输入电流的电压误差。
启用和调整欠压锁定
当VIN引脚电压低于2.5 V时,TPS54160A将被禁用。如果应用需要更高的欠压锁定(uvlo),使用图29所示的en引脚通过使用两个外部电阻器来调整输入电压uvlo。尽管不需要使用uvlo调节寄存器,但强烈建议在操作时提供一致的加电行为。EN管脚具有0.9μA的内部上拉电流源I1,它提供了当EN管脚浮动时TPS54160A工作的默认条件。一旦en-pin电压超过1.25V,则会增加额外的2.9μA滞后,ihys。这种附加电流有助于输入电压滞后。使用公式2设置输入电压的外部滞后。使用公式3设置输入起始电压。

特性描述(续)8.3.10慢速启动和跟踪销(SS/TR)
TPS54160A有效地利用内部参考电压或SS/TR引脚电压的较低电压作为电源的参考电压,并相应地调节输出。SS/TR引脚对地上的电容器实现缓慢的启动时间。TPS54160A的内部上拉电流源为2μA,对外部慢启动电容器充电。慢启动时间(10%到90%)的计算如等式6所示。参考电压(Vref)为0.8V,慢启动电流(ISS)为2μA。慢启动电容器应保持低于0.47μF且大于0.47nF。
通电时,TPS54160A在慢启动引脚放电至40 mV以下时才开始切换,以确保正常通电,见图32。
此外,在正常操作期间,TPS54160A停止切换,并且当VIN针脚处的电压低于VIN UVLO、EN针脚低于1.25 V或发生热关机事件时,SS/TR必须放电至40 mV。
Vsense电压跟随SS/TR引脚电压,45 mV偏移量高达内部电压参考值的85%。当内部参考电压上的ss/tr电压大于85%时,随着有效系统参考电压从ss/tr电压过渡到内部参考电压,偏移量增加(见图24)。SS/TR电压线性上升,直到夹持在1.7 V。
启动时SS/TR销的操作
过载恢复电路
TPS54160A具有过载恢复(OLR)电路。一旦排除故障条件,OLR电路将从过载电压开始输出到额定调节电压。当误差放大器从故障状态变为高电压时,OLR电路使用100μA的内部下拉将SS/TR引脚放电至略高于Vsense引脚电压的电压。当故障条件消除后,输出慢从故障电压开始,到额定输出电压。

特征描述(续)
许多常见的电源排序方法可以使用ss/tr、en和pwrgd管脚来实现。顺序方法可以使用另一个设备上的电源重置引脚的开漏输出来实现。使用两个TPS54160A设备的顺序方法如图33所示。电源良好连接到TPS54160A上的EN引脚,一旦主电源达到规定值,便可启用第二个电源。如果需要,第二个电源的en针上的1nF陶瓷电容器提供1毫秒的启动延迟。

比例和同时启动顺序示意图
所示的R1和R2电阻网络连接到需要跟踪的电源或其他电压参考源的输出,可以实现比率度量和同步电源排序。利用方程7和方程8,可以计算跟踪电阻,使其在与VOUT1稍早、稍晚或同时启动VOUT2。式9是在95%的额定输出调节下,VOUT1和VOUT2之间的电压差。同时测序时,ΔV变量为零伏。为了将慢启动电路中固有的ss/tr对vsense偏移(vss(offset))的影响以及上拉电流源(iss)和跟踪电阻产生的偏移最小化,将vss(offset)和iss作为变量包括在方程式中。为了设计一个比率度量启动,其中当VOUT2达到调节时,VOUT2电压略大于VOUT1电压,在方程7到方程9中使用一个负数作为ΔV。方程9为实现调节时,VOUT2略低于VOUT1的应用产生一个正数。由于在发生en、uvlo或热关机故障后,启动前必须将ss/tr引脚拉至40 mV以下,因此需要仔细选择跟踪电阻,以确保设备在发生故障后重新启动。确保方程式7中计算的R1值大于方程式10中计算的值,以确保装置能够从故障中恢复。当SS/TR电压超过额定参考电压的85%时,随着慢启动电路逐渐将调节参考切换至内部参考电压,vss(偏移)变大。SS/TR引脚电压需要大于1.3 V,才能完全切换到内部电压参考

特性描述(续)恒定开关频率和定时电阻器(RT/CLK引脚)
TPS54160A的开关频率可通过在RT/CLK引脚上放置一个电阻器在大约100kHz到2500kHz的范围内进行调节。RT/CLK引脚电压通常为0.5 V,必须有一个接地电阻来设置开关频率。为了确定给定开关频率的定时电阻,使用方程式11或图41或图42中的曲线。为了减小解决方案的规模,通常会将开关频率设置得尽可能高,但应考虑电源效率、最大输入电压和最小可控制接通时间的权衡。
最小可控开启时间通常为130ns,并限制最大工作输入电压。
高频范围
低频波段
过流保护和频移
TPS54160A执行电流模式控制,该控制使用补偿管脚电压来逐周期关闭高压侧MOSFET。每循环比较开关电流和补偿管脚电压,当峰值开关电流与补偿电压相交时,高压侧开关关闭。在将输出电压拉低的过电流条件下,错误放大器通过驱动comp pin high来响应,增加开关电流。误差放大器的输出被固定在内部,起到开关电流限制的作用。
为了在高输入电压下增加最大工作开关频率,TPS54160A实现了频率偏移。开关频率除以8、4、2和1,电压从0到0.8伏在Vsense引脚上。
该装置实现数字频移,以便在正常启动和故障条件下与外部时钟同步。由于该装置只能将开关频率除以8,因此有一个最大输入电压限制,在该限制下,该装置运行,并且仍有频移保护。
在短路事件期间(特别是在高输入电压应用中),控制回路具有有限的最小可控制接通时间,而输出具有低电压。在开关接通时间内,由于输入电压高和接通时间短,电感电流会上升到峰值电流限制。在开关断开时间内,电感器通常没有足够的断开时间和输出电压使电感器按斜坡上升量斜坡下降。频移有效地增加了关闭时间,使电流下降。

特性描述(续)选择开关频率
选择的开关频率应为两个方程式(方程式12和方程式13)的较低值。式12是由最小可控制接通时间设置的最大开关频率限制。将开关频率设置在该值以上会导致调节器跳过开关脉冲。
式13是由频移保护设置的最大开关频率限制。为了在高输入电压下具有足够的输出短路保护,开关频率应设置为小于fsw(maxshift)频率。在方程式13中,为了计算最大开关频率,考虑到输出电压从额定电压降低到0 V,fdiv整数从1增加到8,与频移相对应。
在图43中,实线说明了一个关于频率偏移的典型安全操作区域,并假定输出电压为0 V,电感电阻为0.1Ω,FET接通电阻为0.2Ω,二极管电压降为0.5 V。虚线是避免脉冲跳变的最大开关频率。在电子表格或其他软件中输入这些方程,或使用switcherpro设计软件确定切换频率。

功能描述(续)如何连接RT/CLK引脚
RT/CLK引脚可用于使调节器与外部系统时钟同步。电路网络将方波连接到RT/CLK引脚。方波振幅在RT/CLK引脚上必须转换为低于0.5 V和高于2.2 V的值,且开启时间大于40 ns,关闭时间大于40 ns。同步频率范围为300 kHz至2200 kHz。ph的上升沿与rt/clk pin信号的下降沿同步。外部同步电路的设计应确保,当同步信号关闭时,设备具有从RT/CLK引脚连接到接地的默认频率设定电阻。建议使用如图44所示通过50Ω电阻接地的频率设置电阻。电阻器应将开关频率设置为接近外部CLK频率。建议通过10 pF陶瓷电容器将同步信号与RT/CLK引脚和4KΩ串联电阻进行交流耦合。当与外部时钟同步时,以及在从同步模式转换到RT模式的应用中,串联电阻可降低重负载应用中的ph抖动。第一次将CLK拉到CLK阈值以上时,设备从RT电阻频率切换到PLL模式。当PLL开始锁定外部信号时,内部0.5V电压源被移除,CLK引脚变为高阻抗。由于调节器上有一个PLL,开关频率可以高于或低于外部电阻设置的频率。设备从电阻模式转换到PLL模式,然后将增加或减少开关频率,直到PLL在100微秒内锁定到CLK频率。
当设备从PLL转换到电阻模式时,开关频率将从CLK频率降低到150 kHz,然后重新应用0.5 V电压,然后电阻将设置开关频率。开关频率除以8、4、2和1,电压从0到0.8伏在Vsense引脚上。该装置实现数字频移,以便在正常启动和故障条件下与外部时钟同步。

特性描述(续)过电压瞬变保护
TPS54160A集成了一个过电压瞬态保护(OVTP)电路,以在从输出故障条件恢复或在具有低值输出电容的电源设计上进行强卸载瞬态时最小化电压过冲。例如,当电源输出过载时,误差放大器将实际输出电压与内部参考电压进行比较。如果VSENSE引脚电压在相当长的时间内低于内部参考电压,错误放大器的输出将通过将错误放大器输出钳制到高电压来响应。因此,请求最大输出电流。一旦条件消除,调节器输出上升,误差放大器输出过渡到稳态占空比。在某些应用中,电源输出电压的响应速度比误差放大器输出的响应速度快,这一现状导致了输出超调的可能性。当使用低值输出电容器时,OVTP功能通过实现电路将Vsense管脚电压与内部参考电压的109%的OVTP阈值进行比较,从而最小化输出过冲。如果Vsense管脚电压大于OVTP阈值,则高侧MOSFET将被禁用,以防止电流流入输出并最小化输出超调量。当电压降到低于OVTP阈值时,高侧MOSFET可以在下一个时钟周期打开。
热停堆
当结温超过182°C时,该装置执行内部热关机以保护自身。当结温超过热跳闸阈值时,热关机强制装置停止切换。一旦模具温度降低到182°C以下,设备通过释放SS/TR销重新启动加电程序。
8.3.20回路响应的小信号模型
TPS54160A控制回路的等效模型,该模型可在电路模拟程序中建模,以检查频率响应和动态负载响应。误差放大器是一种跨导放大器,其GMEA为97μA/V。误差放大器可以用理想的电压控制电流源进行建模。电阻反作用和电容共同模拟放大器的开环增益和频率响应。A、B节点间的1mV交流电压源有效地阻断了频率响应测量的控制回路。图C/A显示了频率补偿的小信号响应。图A/B显示了整个回路的小信号响应。在时域分析中,可以用适当的负载阶跃振幅和阶跃速率的电流源代替RL来检查动态回路响应。该等效模型仅适用于连续导电模式设计。

布局准则
布局是良好电源设计的关键部分。有几种信号通路可以传导快速变化的电流或电压,这些电流或电压可以与杂散电感或寄生电容相互作用,从而产生噪声或降低电源性能。•为了帮助消除这些问题,应使用低ESR陶瓷旁路电容器(带X5R或X7R电介质)将VIN引脚旁路至接地。•应注意尽量减少旁路电容器连接、VIN引脚和捕获二极管阳极形成的回路面积。•接地销应直接系在设备和电源板下方的电源板上。•应使用设备正下方的多个通孔将电源板连接到任何内部PCB接地平面。•ph引脚应连接到捕获二极管的阴极和输出电感。•由于ph连接是开关节点,因此捕获二极管和输出电感应靠近ph引脚,并尽量减小PCB导体的面积,以防止过度电容耦合。•对于满载运行,顶部地面区域必须提供足够的散热区域。•RT/CLK引脚对噪声敏感,因此RT电阻器应尽可能靠近设备,并以最小的跟踪长度进行布线。•附加的外部组件可大致如图所示放置。•可通过替代的PCB布局获得可接受的性能,但该布局已显示出良好的效果,并作为指南。
布局示例

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