TPSM365R6 是一款 3.5 × 4.5mm2 0.6A 额定同步降压电源模块,具有 3.6V 至 65V 的宽工作输入电压范围以及 1V 至 13V 的可调输出电压范围。TPSM365R6 可配置为反相降压/升压 (IBB) 拓扑,其输出电压相对于输入电压反相。本应用报告介绍了如何为反相应用配置 TPSM365R6 EVM 板。本应用手册还包含用于 EN 和 PGOOD 引脚的其他电平转换器电路。
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通过将降压配置更改为 IBB 配置,平均电感器电流会受到影响。IBB 拓扑中的输出电流能力小于降压配置。因此,可使用方程式 1 计算可实现的最大输出电流。
使用方程式 2 可计算反相降压/升压转换器的工作占空比。
方程式 2 中的效率项会调整本节中的功率转换损耗公式,并产生更准确的最大输出电流结果。通过对 TPSM365R6 降压转换器在其标准配置下的效率求平均值,可以得出该效率。使用方程式 1 和方程式 2 计算建议的最大输出电流。例如,当输入电压为 24V、输出电压为 –12V、估计效率为 0.9 时,将按方程式 2 计算占空比,如下所示:
然后,使用方程式 4 的结果通过方程式 1 来计算可实现的最大输出电流:
表 1-1 提供了 TPSM365R6 允许的最大输出电流的一般概念。
VOUT (V) | VIN (V) | IL_max (A) | η | D | IOUT (A) |
---|---|---|---|---|---|
-1.8 | 24 | 0.65 | 0.6 | 0.111 | 0.58 |
-2.5 | 24 | 0.65 | 0.7 | 0.130 | 0.57 |
–3.3 | 24 | 0.65 | 0.7 | 0.164 | 0.54 |
-5 | 24 | 0.65 | 0.8 | 0.210 | 0.52 |
–12 | 24 | 0.65 | 0.9 | 0.357 | 0.42 |
在标准配置中,TPSM365R6 IC 可承受其 VIN 和 IC GND 引脚之间的 65V 差值。但在 IBB 中,TPSM365R6 IC GND 以负输出电压引脚 –VOUT 为基准,请参阅图 1-1。TPSM365R6 的 VIN 和 TPSM365R6 IC GND 引脚之间将产生从 VIN 至 –VOUT 的电势差,可有效限制 TPSM365R6 模块在反相降压/升压配置中的输入电压范围。例如,对于 –12V 的输出电压,最大输入电压将为 53V,这会导致 TPSM365R6 IC 的 VIN 和 GND 引脚之间产生 65V 的电位差。TPSM365R6 IBB 拓扑中的输出电压范围为 –1.8V 至 –13V。
您可以使用最小电容值为 10µF 的陶瓷旁路电容器 CBYP 来降低输入电源噪声。必须考虑 CBYP 的额定电压,因为该电容器将承受等于 VIN 和 –VOUT 之间的完整电压范围的应力。一般情况下,使用至少是整个预期电压范围额定电压两倍的电容器。
但是,包含 CBYP 电容器会引入从 VIN 到 –VOUT 的交流路径,并可能导致瞬态响应恶化。当 VIN 施加到电路时,旁路电容器上的 dV/dt 会产生一个必须返回接地以完成环路的电流。该电流可能流过 MOSFET 的内部低侧体二极管和电感器,再返回地。TI 建议在 -VOUT 和 SYS_GND 之间放置一个肖特基二极管,避免损坏上述内部低侧 MOSFET。此外,该肖特基二极管将降低由快速 VIN 启动导致的 –VOUT 下的潜在正输出电压尖峰,如图 2-2 所示。如果预计会出现较大的线路瞬变,请增大输出电容以使输出电压保持在可接受的电平范围内。
请注意,为了使系统保持稳定,必须有一个输入电源电容器来帮助抑制可能耦合到电路中的高频噪声。添加具有中等 ESR 的电解电容器 CBULK 有助于抑制长电源引线引起的任何输入电源振铃。应在 VIN 和 SYS_GND 两端添加该 CBULK 电容器。
在降压应用中,SW 引脚上的电压在 IBB 拓扑中从 VIN 切换到 –VOUT,而不是从 VIN 切换到 TPSM365R6 IC GND。当高侧 MOSFET 导通时,SW 节点会看到输入电压。当低侧 MOSFET 导通时,SW 节点会检测到器件的 SYS_GND,它连接到负输出电压引脚 –VOUT。在启动期间,VIN 会上升以达到所需的输入电压。在 EN 引脚电压超过其阈值电平且 VIN 超过其 UVLO 阈值后,VOUT 开始斜降。随着 -VOUT 继续下降,SW 节点的低电平随 -VOUT 变化。图 2-3 展示了输出电压产生的正常平滑启动。
为了实现低输出电压纹波,建议使用等效串联电阻 (ESR) 较低的陶瓷电容器。建议使用电介质类型为 X5R 或 X7R 的电容器,从而保证在温度范围内具有稳定的电容特性和直流偏置。施加到电容器上的直流电压越高,有效电容就越小。正常运行要求输入电容器 CIN 的最小电容为 2.2μF,并联高频输入电容器的最小电容为 0.1μF。
标准降压评估模块的 CIN 在反相降压/升压配置中充当旁路电容器,如图 1-1 所示。所含的这个电容器将具有来自评估板的固有 2.2μF 电容,但可以添加更多旁路电容以提高负载瞬态性能。
在正常运行下评估电路的波特图还可以深入了解系统的稳定性。具有稳定的相位裕度为在不同输出电压下反相降压/升压的最小建议输出电容奠定了基础。有关建议的最小输出电容,请参考表 4-2。
当增加更多的输出电容时,稳定性是系统中的一个重要因素。稳定设计的一般经验法则是所需的相位裕度 (PM) 至少为 45° 且低于 70°。在某些情况下,为了保持系统开环条件的稳定性,需要使用前馈电容器 Cff。TPSM365R6 EVM 本身包含一个 10μF 前馈电容器。作为一般经验法则,方程式 5 可用于确定 Cff 的有效值。Cff 将放置在 RFBT 电阻器上,如图 1-1 所示。
VIN | –VOUT | COUT | 电压额定值 (V) | PM (°) |
---|---|---|---|---|
24 | -2.5 | 10 | 25 | 56.59 |
24 | –3.3 | 10 | 25 | 63.47 |
24 | -5 | 22 | 25 | 66.45 |
24 | –12 | 44 | 25 | 60.40 |
DSGNR | 器件型号 | 说明 | 制造商 | 数量 |
---|---|---|---|---|
CIN | C3225X7R2A225K230AM | 2.2uF、100V、X7R、1210 | TDK | 1 |
GRM188R72A104KA35J | 0.1uF、100V、X7R、0603 | MuRata | 1 | |
CFF | CGA2B2C0G1H100D050BA | 10pF、50V、C0G/NP0、0402 | TDK | 1 |
CBYP | C3225X7R2A225K230AB | 2.2uF、100V、X7R、1210 | TDK | 1 |
CVCC | C1608X7R1C105K080AC | 1uF、16V、X7R、0603 | TDK | 1 |
COUT | C3225X7R1E226M250AB | 22uF、25V、X7R、1210 | TDK | 2 |
TPSM365R6 有一个数字输入引脚 (EN),可用于打开和关闭器件的输出。在 TPSM365R6 降压配置中,EN 引脚相对于 TPSM365R6 IC GND 的额定典型阈值电压被视为高于 1.36V 和低于 0.4V 的高电平。但是,在反相降压/升压配置中,EN 现在以 –VOUT 电压为基准,而不是 TPSM365R6 IC GND;因此,EN 引脚被视为高电平的阈值为 1.36V + –VOUT,而 EN 引脚被视为低电平的阈值为 0.4V + -VOUT。例如,如果 –VOUT = –12V,EN 在高于 –10.64V 的电压下将被视为高电平,在低于 -11.6V 的电压下将被视为低电平。因此,在启动时,负输出电压将导致 EN 导通,但需要至少 0.4V + –VOUT 的电压才能关断器件。这种行为可能会导致难以禁用器件,因为在许多应用中,为 EN 信号供电的电压轨将无法产生将 EN 变为低电平所需的负电压。
相对简单的电平转换器可通过消除负 EN 信号,减少与 EN 阈值电压相关的任何问题。图 5-1 展示了创建 EN 引脚电平转换器所需的连接。
SYS_EN | 低电平 | 高电平 |
---|---|---|
Q1 | 关闭 | 打开 |
Q2 | 关闭 | 打开 |
EN 引脚 | 低电平 | 高电平 |
最初驱动 EN 的正信号 (SYS_EN) 改为连接到此电平转换器中 Q1 的栅极。当 SYS_EN 设置为 SYS_GND 时,Q1 关断。随后,Q2 检测到其栅极和源极之间没有电势差,也保持关断状态。在这种状态下,EN 引脚检测到 -VOUT 低于低电平阈值,并禁用该器件。
当 SYS_EN 在 Q1 的栅极和源极之间提供足够的正电压来导通 Q1 时,Q2 的栅极通过 Q1 被拉至 SYS_GND。这将驱动 Q2 的栅极和源极之间的负电势差,从而使其导通。因此,EN 通过 Q2 连接到 VIN,且该引脚高于高电平阈值,从而使器件导通。
对于预期的应用条件,选择具有适当电压额定值的 Q2 MOSFET 非常重要。可以使用额外的齐纳二极管和/或电阻分压器来降低 Q2 栅极的电势。确保在 IC 的导通和关断状态下均遵守 MOSFET 数据表中的 Q2 限制。
SYS_EN 信号激活 EN 引脚电平转换器电路并将 EN 引脚电压摆动至 VIN 和 -VOUT,从而正确启用和禁用器件。启动时的 EN 引脚电平转换器 和关断时的 EN 引脚电平转换器 展示了安装了 EN 引脚电平转换器的器件的行为。