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基于TPS54610的同步降压DC/DC电源设计
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1 引言
TPS54610是一款低电压输入高电流输出的同步降压DC／DC控制器，它内含30MΩ、12A峰值电流的MOSFET开关管，可输出6A电流，输出电压从0.9V到3.3V可调，精确率可达1％，脉宽调制频率既可固定在350kHz或550kHz，也可以在280kHz到700kHz之间调整；另外，它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。TPS54610集成化的设计减少了元件数量和体积。因此，可广泛用于低电压输入高电流输出的分散电源系统(如DSP、FPGA、A－SIC、微处理器电源，宽带网络和光纤通讯以及便携式笔记本电脑的电源系统)中。
2 TPS54610的引脚功能
TPS54610采用28脚TSSOP封装。其引脚排列如图1所示，各引脚功能如下:
AGND(1脚):模拟地。
BOOT(5脚):自举电路输出，在BOOT脚和PH脚间应连接0.02～0.1μF的电容。
COMP(3脚):误差放大器输出，COMP脚与VSENSE脚间应接频率补偿电路。
PGND(15～19脚):电源地，使用时应与AGND单点连接。
PH(6～14脚):相输出，功率MOSFET高低端与输出电感的连接点。
PWRGD(4脚):“电源好”输出，当VSENSE端的电压高于Vref的90％时，输出为高；否则为低。注意:当SS／ENA引脚为低或内部SHUTDOWN有效时，该引脚始终为低。
RT(28脚):频率设置电阻输入，在RT和AGND间连接一个电阻可以设置开关频率，当使用SYNC端时，通过RT设置的频率应稍低于外部振荡器的频率。
SS／ENA(26脚):软启动／输入输出使能端，可提供控制器允许工作逻辑，该脚的另一个功能是通过外接电容来设置软启动时间。
SYNC(27脚):同步输入，可提供外部振荡器同步逻辑信号，此时要求RT引脚必须连接一个电阻，在内部振荡时用于开关频率的切换。
VBIAS(25脚):内部偏压调节，与AGND引脚间应接一个0.1μF～1μF的陶瓷电容。
VIN(20～24脚):电源输入，与PGND间应连接10μF的陶瓷电容。
VSENSE(2脚):误差电压放大器反向输入，可通过补偿和分压电路与输出端相连。
3 电路设计
3.1 内部补偿和外部补偿
内部补偿和外部补偿是TI公司电源控制芯片采用的两种不同的电路形式。采用内部补偿的控制器力求减少外部元件的数量和印制板的尺寸，因此电路简单，并可采用软件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)来设计。但内部补偿控制器存在两个缺点，第一是内部补偿控制器的降压变换电路只能获得固定的电压输出，如TPS54611获得的输出电压固定为0.9V，而TPS54616获得的输出电压固定为3.3V；另一个缺点是内部补偿限制了输出电容和电感的选择。很多情况下，出于各种考虑，如输出电压可调、输出电容和电感利用率和费用的要求，不允许采用内部补偿方式。在这种情况下，外部补偿芯片TPS54610便能提供更好的解决方案。下面介绍的就是基于TPS54610外部补偿结构的电路构成及设计方法。
3.2 电路设计步骤
图2所示是以TPS54610为核心的外部补偿降压变换电路。现以该电路为例说明其设计方法。
1)开关频率的选择
当SYNC引脚接地时，开关频率为350kHz，当SYNC接输入电源电压时，开关频率为550kHz。为了获得可以调整的开关频率，可在RT引脚和地之间接一个外部电阻R1以使其频率可以在280～700kHz之间进行调整。开关频率与R1的对应关系如图3所示，这种情况下，SYNC应断开。从图中可以看出，100kΩ对应的开关频率为500kHz，其实际误差在±8％以内。
2)输入电容的选择
输入解耦电容C2可用来减少高频噪声，设计时可选择1μF～10μF的陶瓷电容，并应尽量靠近集成芯片安装。
降压输入电容C1可用于减少输入纹波电压。但如果解耦电容已足够滤波，可不设置该电容。为了确定是否需要该电容，首先要确定最大允许纹波电压。为确保能够正常工作，TPS54610的纹波电压峰峰值不允许超过300mV。
3)输出滤波元件的选择
输出滤波电路由输出电感L1和输出电容COUT(图2中C8、C9、C10)组成。和内部补偿控制器相比，TPS54610对这两个元件的选择通常限制不大。
4)补偿元件的选择
反馈补偿电路包含元件图中的R2、R3、R5、R6，元器件的选取方法有多种，定性和较宽的带宽。 先应考虑的是补偿误差放大次，补偿误差放大器应将到100mV左右，另外，电路总的回路串扰频率应小于开关频率的1／8，同时相角裕量至少应为45°。
通过图2中补偿元件的参数设计可将总的回路响应串扰频率范围限制在10～0kHz，相位裕量范围设定在0～90°之间。图中各电阻的偏差应小于1％，电容偏差应小于10％。
5）偏置电路和自举电容的选择
偏置电容C4一般采用0.1μF的陶瓷电容，并置于VBIAS和AGND之间。自举电容C7一般采用0.022～0.1μF的陶瓷电容，并将其连接在BOOT引脚和PH之间。
6）软启动时间的选择
TPS54610内部含有软启动电路，可用来控制启动时输出电压的上升时间，内部慢启动时间设置为3.6ms。另外，通过在SS／ENA引脚连接软启动电容C3可使其输出电压的上升时间超过内部设置值，软启动电容的选择可由下式得到： Css＝5 tss／0.891式中，tss为软启动时间。
软启动一般从输入电压超过3V的启动阈值电压开始，之后，如果使用内部软启动电路，输出电压将开始以线性方式上升到输出电压值，而如果外接有软启动电容，输出电压将经过固定的延时tDELAY后开始上升，tDELAY取决于软启动电容的取值，它可由下
式计算：
tDELAY＝1.2 CSS／5μF
采用上述参数设计的图2电路的输出电压为1.8V，输出电流可达6A，开关频率为680kHz。电路中的输出滤波电容由C8、C9、C10共同组成。
TPS54610是一款低电压输入高电流输出的同步降压DC／DC控制器，它内含30MΩ、12A峰值电流的MOSFET开关管，可输出6A电流，输出电压从0.9V到3.3V可调，精确率可达1％，脉宽调制频率既可固定在350kHz或550kHz，也可以在280kHz到700kHz之间调整；另外，它还具有限流电路、低压闭锁电路和过热关断电路。TPS54610集成化的设计减少了元件数量和体积。因此，可广泛用于低电压输入高电流输出的分散电源系统(如DSP、FPGA、A－SIC、微处理器电源，宽带网络和光纤通讯以及便携式笔记本电脑的电源系统)中。
2 TPS54610的引脚功能
TPS54610采用28脚TSSOP封装。其引脚排列如图1所示，各引脚功能如下:
AGND(1脚):模拟地。
BOOT(5脚):自举电路输出，在BOOT脚和PH脚间应连接0.02～0.1μF的电容。
COMP(3脚):误差放大器输出，COMP脚与VSENSE脚间应接频率补偿电路。
PGND(15～19脚):电源地，使用时应与AGND单点连接。
PH(6～14脚):相输出，功率MOSFET高低端与输出电感的连接点。
PWRGD(4脚):“电源好”输出，当VSENSE端的电压高于Vref的90％时，输出为高；否则为低。注意:当SS／ENA引脚为低或内部SHUTDOWN有效时，该引脚始终为低。
RT(28脚):频率设置电阻输入，在RT和AGND间连接一个电阻可以设置开关频率，当使用SYNC端时，通过RT设置的频率应稍低于外部振荡器的频率。
SS／ENA(26脚):软启动／输入输出使能端，可提供控制器允许工作逻辑，该脚的另一个功能是通过外接电容来设置软启动时间。
SYNC(27脚):同步输入，可提供外部振荡器同步逻辑信号，此时要求RT引脚必须连接一个电阻，在内部振荡时用于开关频率的切换。
VBIAS(25脚):内部偏压调节，与AGND引脚间应接一个0.1μF～1μF的陶瓷电容。
VIN(20～24脚):电源输入，与PGND间应连接10μF的陶瓷电容。
VSENSE(2脚):误差电压放大器反向输入，可通过补偿和分压电路与输出端相连。
3 电路设计
3.1 内部补偿和外部补偿
内部补偿和外部补偿是TI公司电源控制芯片采用的两种不同的电路形式。采用内部补偿的控制器力求减少外部元件的数量和印制板的尺寸，因此电路简单，并可采用软件方法(如TI公司的SWIFTDesigner)来设计。但内部补偿控制器存在两个缺点，第一是内部补偿控制器的降压变换电路只能获得固定的电压输出，如TPS54611获得的输出电压固定为0.9V，而TPS54616获得的输出电压固定为3.3V；另一个缺点是内部补偿限制了输出电容和电感的选择。很多情况下，出于各种考虑，如输出电压可调、输出电容和电感利用率和费用的要求，不允许采用内部补偿方式。在这种情况下，外部补偿芯片TPS54610便能提供更好的解决方案。下面介绍的就是基于TPS54610外部补偿结构的电路构成及设计方法。
3.2 电路设计步骤
图2所示是以TPS54610为核心的外部补偿降压变换电路。现以该电路为例说明其设计方法。
1)开关频率的选择
当SYNC引脚接地时，开关频率为350kHz，当SYNC接输入电源电压时，开关频率为550kHz。为了获得可以调整的开关频率，可在RT引脚和地之间接一个外部电阻R1以使其频率可以在280～700kHz之间进行调整。开关频率与R1的对应关系如图3所示，这种情况下，SYNC应断开。从图中可以看出，100kΩ对应的开关频率为500kHz，其实际误差在±8％以内。
2)输入电容的选择
输入解耦电容C2可用来减少高频噪声，设计时可选择1μF～10μF的陶瓷电容，并应尽量靠近集成芯片安装。
降压输入电容C1可用于减少输入纹波电压。但如果解耦电容已足够滤波，可不设置该电容。为了确定是否需要该电容，首先要确定最大允许纹波电压。为确保能够正常工作，TPS54610的纹波电压峰峰值不允许超过300mV。
3)输出滤波元件的选择
输出滤波电路由输出电感L1和输出电容COUT(图2中C8、C9、C10)组成。和内部补偿控制器相比，TPS54610对这两个元件的选择通常限制不大。
4)补偿元件的选择
反馈补偿电路包含元件图中的R2、R3、R5、R6，元器件的选取方法有多种，定性和较宽的带宽。 先应考虑的是补偿误差放大次，补偿误差放大器应将到100mV左右，另外，电路总的回路串扰频率应小于开关频率的1／8，同时相角裕量至少应为45°。
通过图2中补偿元件的参数设计可将总的回路响应串扰频率范围限制在10～0kHz，相位裕量范围设定在0～90°之间。图中各电阻的偏差应小于1％，电容偏差应小于10％。
5）偏置电路和自举电容的选择
偏置电容C4一般采用0.1μF的陶瓷电容，并置于VBIAS和AGND之间。自举电容C7一般采用0.022～0.1μF的陶瓷电容，并将其连接在BOOT引脚和PH之间。
6）软启动时间的选择
TPS54610内部含有软启动电路，可用来控制启动时输出电压的上升时间，内部慢启动时间设置为3.6ms。另外，通过在SS／ENA引脚连接软启动电容C3可使其输出电压的上升时间超过内部设置值，软启动电容的选择可由下式得到： Css＝5 tss／0.891式中，tss为软启动时间。
软启动一般从输入电压超过3V的启动阈值电压开始，之后，如果使用内部软启动电路，输出电压将开始以线性方式上升到输出电压值，而如果外接有软启动电容，输出电压将经过固定的延时tDELAY后开始上升，tDELAY取决于软启动电容的取值，它可由下
式计算：
tDELAY＝1.2 CSS／5μF
采用上述参数设计的图2电路的输出电压为1.8V，输出电流可达6A，开关频率为680kHz。电路中的输出滤波电容由C8、C9、C10共同组成。
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