TPS7H4002-SP：輻射加固型同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)指南

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的電源轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。今天要給大家介紹的是德州儀器（TI）的TPS7H4002-SP，一款專為空間應(yīng)用設(shè)計(jì)的輻射加固型3V至5.5V輸入、3A同步降壓轉(zhuǎn)換器，它在性能和可靠性方面都有著出色的表現(xiàn)。

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一、核心特性

TPS7H4002-SP具備諸多引人注目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出。

1. 卓越的輻射性能

它的輻射硬度保證高達(dá)總電離劑量（TID）100 krad(Si)，并且對(duì)單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)糯⊿EGR）免疫，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）高達(dá)75 MeV-cm2 / mg，SET和SEFI特性也經(jīng)過(guò)了此LET值下的表征。這意味著它能在輻射環(huán)境惡劣的空間應(yīng)用中穩(wěn)定工作，不會(huì)因輻射而出現(xiàn)性能下降或故障。

2. 高效的功率轉(zhuǎn)換

集成了50 - mΩ和35 - mΩ的MOSFET，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)96.9%的峰值效率（VO = 2.5 V）。這種高效的功率轉(zhuǎn)換不僅能夠降低能源損耗，還能減少熱量產(chǎn)生，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3. 靈活的頻率選擇

支持100 - kHz至1 - MHz的可調(diào)內(nèi)部振蕩器，同時(shí)具備外部同步功能，頻率范圍同樣是100 kHz至1 MHz。SYNC引腳還可以配置為500 - kHz輸出，用于主從應(yīng)用場(chǎng)景。這種靈活的頻率選擇可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和尺寸平衡。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

憑借其出色的性能，TPS7H4002-SP適用于多種領(lǐng)域，特別是對(duì)電源穩(wěn)定性和抗輻射能力要求較高的空間應(yīng)用。

1. 空間衛(wèi)星

可為FPGA、微控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和ASIC等提供負(fù)載點(diǎn)電源，確保這些關(guān)鍵組件在空間環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

2. 通信有效載荷

保證通信設(shè)備在空間環(huán)境下的電源供應(yīng)，提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。

3. 光學(xué)成像有效載荷

為光學(xué)成像設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，確保成像質(zhì)量不受電源波動(dòng)的影響。

三、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

包括輸入電壓（VIN和PVIN）、EN、VSENSE等引腳的電壓范圍，以及源電流、灌電流、工作結(jié)溫、存儲(chǔ)溫度等參數(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保設(shè)備的工作條件在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

2. ESD額定值

人體模型（HBM）為±750 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±1000 V。這表明在處理設(shè)備時(shí)，需要采取適當(dāng)?shù)撵o電放電（ESD）防護(hù)措施，以避免ESD對(duì)設(shè)備造成損害。

3. 推薦工作條件

建議的結(jié)溫范圍為 - 55°C至125°C，確保設(shè)備在這個(gè)溫度范圍內(nèi)能夠正常工作，并保持良好的性能。

四、典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

下面以一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明如何使用TPS7H4002-SP進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。

1. 設(shè)計(jì)要求確定

假設(shè)我們要設(shè)計(jì)一個(gè)電源，輸出電壓為2.5 V，最大輸出電流為3 A，瞬態(tài)響應(yīng)要求在1.5 - A負(fù)載階躍時(shí)ΔVOUT = 3%，輸入電壓為5 V，輸出電壓紋波為20 mVp - p，啟動(dòng)輸入電壓（上升VIN）為4.5 V，停止輸入電壓（下降VIN）為4.3 V，開關(guān)頻率為500 kHz。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

（1）開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率的選擇需要綜合考慮多種因素。較高的開關(guān)頻率可以使用較小的電感和電容，從而減小解決方案的尺寸，但會(huì)增加開關(guān)損耗，降低效率和熱性能。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，選擇了500 kHz的開關(guān)頻率，并根據(jù)RT與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線，將RT值設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)值95.3 kΩ。

（2）輸出電感選擇

電感的選擇對(duì)電源的性能有重要影響。根據(jù)公式[L=frac{V{INMAX } - V{OUT }}{I{O} × K{L}} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f_{SW}}]計(jì)算電感值，其中KL是一個(gè)系數(shù)，表示電感紋波電流相對(duì)于最大輸出電流的比例。在這個(gè)例子中，KL選擇0.4，計(jì)算得到電感值為2.2 μH。

（3）輸出電容選擇

輸出電容的選擇需要考慮多個(gè)方面，包括確定調(diào)制器極點(diǎn)、輸出電壓紋波以及對(duì)負(fù)載電流變化的響應(yīng)。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，分別使用公式計(jì)算最小輸出電容和最大ESR值。最終，考慮到空間應(yīng)用的嚴(yán)格要求，選擇了330 μF、ESR = 6 mΩ的輸出電容。

（4）其他組件選擇

包括輸出肖特基二極管、軟啟動(dòng)電容、欠壓鎖定（UVLO）設(shè)置點(diǎn)、輸出電壓反饋電阻和補(bǔ)償組件等。這些組件的選擇都需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和公式進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。

五、布局要點(diǎn)

良好的布局對(duì)于電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它可以減少干擾，提高電源的穩(wěn)定性和效率。TPS7H4002-SP的布局需要遵循以下基本準(zhǔn)則：

1. 電源走線

頂層包含PVIN、VIN、VOUT和PHASE等主要電源走線，以及與TPS7H4002-SP其他引腳的連接和大面積的接地層。

2. 接地連接

頂層接地層應(yīng)通過(guò)過(guò)孔與內(nèi)部接地層相連，GND引腳應(yīng)直接連接到IC下方的電源焊盤和PGND。

3. 敏感組件布局

RT、REFCAP和COMP引腳對(duì)噪聲敏感，相關(guān)組件應(yīng)盡可能靠近IC，并盡量縮短走線長(zhǎng)度。反饋電壓信號(hào)VSENSE應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

TPS7H4002-SP是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的輻射加固型同步降壓轉(zhuǎn)換器，適用于各種對(duì)電源穩(wěn)定性和抗輻射能力要求較高的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和規(guī)格參數(shù)，合理選擇組件，并遵循良好的布局準(zhǔn)則，以確保設(shè)計(jì)的成功。大家在使用過(guò)程中遇到什么問(wèn)題，歡迎在評(píng)論區(qū)留言交流。