TPS7H4001-SP：輻射加固同步降壓轉換器的深度解析

在電子工程領域，尤其是涉及航天等對可靠性要求極高的應用場景，輻射加固電源轉換器是不可或缺的關鍵組件。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TPS7H4001-SP輻射加固同步降壓轉換器。

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一、產品概述

TPS7H4001-SP是一款經過輻射加固保證的7V、18A同步降壓轉換器，內部集成了低電阻的高端和低端MOSFET。通過采用電流模式控制，它實現了高效率和減少組件數量的目標，在眾多對輻射敏感的應用中表現出色，例如空間衛星負載點電源。

二、產品特性

（一）輻射性能卓越

1. 總電離劑量（TID）：輻射加固保證可達100 krad(Si)，這意味著它在輻射環境下能夠保持穩定的性能，大大提高了在太空等輻射環境中的可靠性。
2. 單粒子效應（SEE）免疫：對(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)的單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵穿（SEGR）免疫，同時還對單粒子瞬態（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）進行了表征，直至(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)，為設備在輻射環境下的正常運行提供了有力保障。

（二）高轉換效率

該轉換器的峰值效率可達95.5%（在(V_{O}=1 ~V)、100 kHz條件下），這一高效性能有助于降低功耗，提高能源利用率，延長設備的電池續航時間或減少散熱需求。

（三）寬輸入電壓范圍

其電源軌在VIN引腳處支持3V至7V的輸入電壓，這使得它能夠適應多種不同的電源環境，增加了應用的靈活性。

（四）靈活的開關頻率選項

1. 內部振蕩器：內置的振蕩器可在100-kHz至1-MHz范圍內進行調節，用戶可以根據具體應用需求選擇合適的開關頻率，以優化效率和性能。
2. 外部同步：支持100-kHz至1-MHz的外部同步功能，通過SYNC引腳，還可以將4個設備配置為90°異相的500-kHz時鐘，實現并行操作，以滿足更大功率的需求。

（五）精確的電壓參考

不同封裝選項下，具有高精度的電壓參考。例如，對于CDFP、KGD（已知良品芯片）和HTSSOP（QMLP）選項，在溫度、輻射、線路和負載調節條件下，0.6-V電壓參考的精度可達±1.5%；對于HTSSOP（SHP）選項，精度為±1.7%。

（六）其他特性

1. 單調啟動：能夠安全地啟動到預偏置輸出，避免了啟動過程中可能出現的電壓波動和不穩定問題。
2. 可調節功能：具備可調節的斜坡補償和軟啟動功能，以及可調節的輸入使能和電源良好輸出功能，方便用戶進行電源排序和優化系統性能。

三、應用場景

由于其出色的輻射性能和高功率輸出能力，TPS7H4001-SP主要應用于空間衛星負載點電源等對輻射敏感且對電源性能要求較高的領域。在衛星系統中，它能夠為各種電子設備提供穩定可靠的電源供應，確保衛星的正常運行。

四、詳細功能分析

（一）工作原理

TPS7H4001-SP采用恒定頻率、峰值電流模式控制，通過內部的誤差放大器將VSENSE引腳電壓與內部電壓參考進行比較，從而控制輸出電壓。這種控制方式不僅提高了線路和負載瞬態響應性能，還簡化了外部頻率補償設計。

（二）引腳功能

該轉換器具有多種引腳，每個引腳都有特定的功能：

1. VIN和PVIN：VIN為內部控制電路供電，PVIN為功率轉換系統提供輸入電壓，兩者輸入電壓范圍均為3V至7V。可以通過連接到EN引腳的分壓器來適當調整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）閾值，以提供一致的上電行為。
2. EN：用于控制設備的開啟和關閉，具有內部上拉電流源，用戶可以將其浮空以啟用設備，也可以通過外部電路進行控制。
3. RT：通過連接到GND的電阻來配置開關頻率，支持內部振蕩器、外部同步和主 - 從操作三種模式。
4. SYNC1和SYNC2：用于外部同步和設備的并行操作。在不同的模式下，它們可以作為輸入或輸出引腳，實現時鐘信號的同步和相位調整。
5. SS/TR：用于軟啟動和跟蹤功能，通過連接外部電容來設置內部電壓參考的上升時間，避免了啟動時的浪涌電流，并可實現電源供應的時序控制。
6. PWRGD：一個開漏輸出引腳，用于監測輸出電壓。當VSENSE引腳電壓在內部電壓參考的94%至106%之間時，PWRGD引腳懸空；當電壓低于91%或高于109%時，引腳被拉低，表示電源出現故障。

（三）保護功能

1. 過壓保護：當VSENSE引腳電壓超過過壓保護閾值時，高端MOSFET將被關閉，以防止輸出電壓過沖。只有當VSENSE電壓降至閾值以下時，高端MOSFET才會在下一個時鐘周期重新開啟。
2. 過流保護：采用逐周期電流限制，分別對高端和低端MOSFET進行過流保護。當檢測到過流時，會采取相應的措施，如關閉開關或進行電流限制，以避免設備損壞。
3. 熱關斷：當結溫超過190°C（典型值）時，內部熱關斷電路將強制設備停止開關操作；當結溫降至172°C（典型值）以下時，設備將重新啟動電源序列。

五、設計實例與參數計算

（一）設計需求

（二）詳細設計步驟

1. 開關頻率選擇：選擇500 kHz的開關頻率，因為該調節器可以內部生成此頻率，所以如果需要，也可以不使用RT電阻。
2. 輸出電感選擇：根據公式(L=frac{V{INMAX } - V{OUT }}{I{O} × K{L}} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW}})計算輸出電感值，其中(K{L})表示電感紋波電流與最大輸出電流的比例。在本設計中，取(K_{L}=0.1)，計算得到電感值為0.9 μH。同時，要確保所選電感的RMS電流和飽和電流額定值不被超過。
3. 輸出電容選擇：輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波、負載電流變化引起的電壓偏差以及單粒子效應的緩解。通過公式(C{OUT }>frac{2 × Delta I{0}}{f{SW} × Delta VOUT })和(C{OUT }>frac{1}{8 × f{SW}} × frac{I {ripple }}{VOUT _{ripple }})分別計算滿足不同要求的最小電容值，并根據實際情況進行調整。在本設計中，綜合考慮各種因素，選擇了總輸出電容為2 mF，等效ESR約為2 mΩ的電容。
4. 輸入電容選擇：TPS7H4001-SP需要在PVIN和VIN輸入電壓引腳處使用至少4.7 μF的高質量陶瓷輸入去耦電容（如X5R或X7R類型），并根據需要添加額外的大容量電容。通過公式(I{CINrms }=I{0} × sqrt{frac{V{OUT }}{V{INMIN }} × frac{(V{INMIN } - V{OUT })}{V_{IN_MIN }}})計算輸入紋波電流，以確保所選電容具有足夠的紋波電流額定值。
5. 軟啟動電容選擇：軟啟動電容(C{SS})用于控制輸出電壓在啟動過程中的上升時間。根據公式(t{SS}(ms)=frac{0.8 × C{SS}(nF) × V{REF}(V)}{I_{SS}(mu A)})計算所需的電容值。在本設計中，將軟啟動時間設置為約2 ms，需要一個10 - nF的電容。
6. 欠壓鎖定（UVLO）設置：通過外部電阻分壓器網絡調整UVLO閾值，使用公式(R{1}=frac{V{START } × frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}-V{STOP }}{I{p}(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISING }})+I{h}})和(R{2}=frac{R{1} × V{ENFALLING }}{V{STOP } - V{ENFALLING }+R{1}(I{p}+I_{h})})計算電阻值。
7. 輸出電壓反饋電阻選擇：使用電阻分壓器網絡(R{TOP })和(R{BOTTOM })設置輸出電壓，公式為(R{BOTTOM }=frac{V{REF}}{VOUT - V{REF}} × R{TOP})。在本設計中，選擇(R{TOP}=10 kΩ)，計算得到(R{BOTTOM}=15.32 kΩ)，選擇最近的標準1%電阻15.4 kΩ。
8. 補償組件選擇：采用Type 2B補償方式，設置交叉頻率為開關頻率的十分之一。根據公式(R{3}=frac{2 pi × f{co } × V{OUT } × C{OUT }}{gm{ea } × V{REF } × gm{ps}})和(C{1}=frac{C{OUT } × R{L}}{R_{3}})計算補償組件的值。

（三）并行操作

TPS7H4001-SP可以配置為主 - 從模式，以提供高達72 - A的輸出電流。在并行操作時，需要注意RT引腳的配置、SYNC引腳的連接方式以及補償、軟啟動和使能網絡的設計。例如，對于主設備，RT引腳應懸空，以設置頻率為500 kHz，并將SYNC1和SYNC2引腳配置為輸出引腳；對于從設備，RT引腳應連接到一個電阻，以匹配主設備的頻率。同時，所有VSENSE、COMP、SS/TR和EN引腳都應連接在一起，并且在計算相關組件值時，需要考慮并聯設備的數量。

六、布局注意事項

（一）整體布局

在進行PCB布局時，應包含一個大面積的頂層接地區域，并通過過孔將其與內部接地層連接，特別是在輸入旁路電容、輸出濾波電容和TPS7H4001-SP設備下方，以提供良好的熱路徑。

（二）引腳連接

1. GND引腳：應直接連接到IC下方的散熱墊。
2. PVIN引腳：需要使用低ESR的陶瓷旁路電容（如X5R或X7R類型）連接到地，并盡量減小旁路電容連接、PVIN引腳和接地連接所形成的環路面積，以減少噪聲和提高性能。
3. VIN引腳：同樣需要使用低ESR的陶瓷電容連接到地，但應連接到相對安靜的模擬接地跡線，而不是PVIN旁路電容的電源接地跡線。
4. PH引腳：作為開關節點，輸出電感應靠近PH引腳放置，并盡量減小PCB導體的面積，以防止過多的電容耦合。
5. 反饋跡線：應遠離電感電磁干擾（EMI）和其他噪聲源，盡量遠離電感、相位（PH）節點和嘈雜的功率跡線。如果無法避免，應確保跡線在另一層布線，并使用接地層將跡線和電感隔開。
6. RT和COMP引腳：對噪聲敏感，周圍的組件應盡可能靠近IC放置，并盡量縮短跡線長度。
7. 功率跡線：應盡量短、直且厚，以降低電阻和電感，提高電源效率。

七、總結

TPS7H4001-SP輻射加固同步降壓轉換器以其卓越的輻射性能、高轉換效率、靈活的開關頻率選項和豐富的保護功能，成為空間衛星等對輻射敏感應用的理想選擇。通過合理的設計和布局，可以充分發揮其性能優勢，為電子系統提供穩定可靠的電源供應。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的設計要求和應用場景，仔細選擇組件和優化布局，以確保系統的性能和可靠性。同時，還可以參考德州儀器提供的相關文檔和評估模塊，進一步了解和應用這款優秀的電源轉換器。