TPS50601-SP輻射加固同步降壓轉換器的設計與應用

在電子工程領域，對于空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境下的應用，需要性能可靠且具備輻射耐受性的電源轉換器。德州儀器（TI）的TPS50601 - SP輻射加固同步降壓轉換器就是這樣一款出色的產品，下面我們來詳細了解它的特性、應用及設計要點。

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一、產品特性

1.1 輻射耐受性

TPS50601 - SP具有出色的輻射耐受性，其輻射硬度保證（RHA）高達總電離劑量（TID）100 krad (Si)，并且無電離劑量率相關效應（ELDRS），單粒子鎖定（SEL）免疫能級達到 (LET = 85 MeV - cm^{2} / mg) ，還對單粒子燒毀（SEB）和單粒子柵穿（SEGR）免疫至 (85 MeV - cm^{2} / mg) 。這些特性使得它非常適合在輻射環(huán)境惡劣的空間衛(wèi)星等應用中使用。

1.2 高效性能

該轉換器的峰值效率可達95%（(V_{O}=3.3 V) ），集成了55 - mΩ/50 - mΩ的MOSFET，能夠實現高效的功率轉換。同時，它支持靈活的開關頻率選項，內部振蕩器可在100 - kHz至1 - MHz范圍內調節(jié)，還具備外部同步能力，同步引腳可配置為500 - kHz輸出，適用于主從應用。

1.3 寬輸入電壓范圍

它采用了分離式電源軌設計，PVIN引腳的輸入電壓范圍為1.6至6.3 V，VIN引腳的輸入電壓范圍為3至6.3 V，最大輸出電流可達6 A，能夠滿足多種應用場景的需求。

1.4 其他特性

• 具有0.795 - V ±1.258%的電壓參考（25°C時），保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 能夠單調啟動進入預偏置輸出，可通過外部電容實現可調軟啟動。
• 具備輸入使能和電源良好輸出功能，可用于電源排序，還能對欠壓和過壓進行監(jiān)測。
• 采用20 - 引腳熱增強型陶瓷扁平封裝（HKH），有利于散熱。

二、應用場景

2.1 空間衛(wèi)星

TPS50601 - SP可作為空間衛(wèi)星現場可編程門陣列（FPGA）、微控制器和專用集成電路（ASIC）的負載點電源，為這些關鍵部件提供穩(wěn)定可靠的電源供應。同時，它也適用于空間衛(wèi)星的有效載荷部分。

2.2 輻射耐受應用

在其他需要輻射耐受性的應用中，該轉換器也能發(fā)揮重要作用，并且其工作溫度范圍為 - 55°C至125°C，能夠適應較為惡劣的環(huán)境條件。

三、詳細描述

3.1 工作原理

TPS50601 - SP是一款6.3 - V、6A的同步降壓轉換器，集成了兩個N溝道MOSFET。它采用恒頻峰值電流模式控制，可簡化外部頻率補償，提高線路和負載瞬態(tài)響應性能。其開關頻率范圍為100 kHz至1 MHz，在選擇輸出濾波組件時可實現效率和尺寸的優(yōu)化。

3.2 引腳功能

該轉換器的引腳功能豐富，例如：

• VIN引腳為內部控制電路供電，PVIN引腳為功率轉換系統(tǒng)提供輸入電壓，兩者可一起或分開使用。
• EN引腳用于控制設備的開啟和關閉，具有內部上拉電流源，可通過兩個外部電阻調整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）。
• RT引腳在內部振蕩模式下，通過連接到地的電阻來設置開關頻率。
• SYNC引腳可作為可選的1 - MHz外部系統(tǒng)時鐘輸入，也可配置為輸出時鐘。

3.3 特性描述

• 輸出電壓調整：通過從輸出（VOUT）到VSENSE引腳的電阻分壓器來設置輸出電壓，推薦使用1%公差或更好的分壓電阻。
• 最大占空比限制：只要引導電容電壓高于預設的BOOT - PH UVLO閾值（通常為2.2 V），TPS50601 - SP就可以按相應公式計算的占空比運行。
• 安全啟動：在單調預偏置啟動期間，低側MOSFET在SS/TR引腳電壓高于1.4 V之前不允許吸收電流，防止預偏置輸出放電。
• 誤差放大器：采用跨導誤差放大器，將VSENSE引腳電壓與SS/TR引腳電壓或內部0.795 - V電壓參考中的較低值進行比較。
• 斜率補償：為開關電流信號添加補償斜坡，防止次諧波振蕩，確保在整個占空比范圍內可用的峰值電感電流保持恒定。

四、應用與實現

4.1 設計要求

以一個具體的設計為例，假設輸出電壓為3.3 V，輸出電流為6 A，瞬態(tài)響應為1 - A負載階躍時ΔVout = 5%，輸入電壓為5 V標稱值（4.5至6.3 V），輸出電壓紋波為33 mV p - p，啟動輸入電壓為4.425 V，停止輸入電壓為4.234 V，開關頻率為480 kHz。

4.2 詳細設計步驟

4.2.1 工作頻率選擇

選擇適中的開關頻率（如480 kHz），可在實現小尺寸解決方案的同時保證較高的轉換效率。因為較高的開關頻率可使用較低值的電感和較小的輸出電容，但會增加開關損耗，影響效率和熱性能。

4.2.2 輸出電感選擇

根據公式 (L 1=frac{ Vinmax - Vout }{ lo.Kind } cdot frac{ Vout }{ Vinmax cdot f sw}) 計算輸出電感值，其中KIND為電感紋波電流與最大輸出電流的相對系數，通常取值在0.1至0.4之間。在本設計中，KIND取0.1，計算得到電感值為2.78 μH，選擇標準值3.3 μH的電感。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。

4.2.3 輸出電容選擇

選擇輸出電容時需考慮三個主要因素：確定調制器極點、輸出電壓紋波和對負載電流大變化的響應。根據相應公式計算，在本設計中，為滿足負載瞬態(tài)響應要求，最小電容值為25 μF；為滿足輸出電壓紋波要求，最小電容值為13.2 μF，同時要求ESR小于19.7 mΩ。最終選擇47 μF 6.3V X5R陶瓷電容，其ESR為3 mΩ，能滿足設計要求。

4.2.4 輸入電容選擇

TPS50601 - SP需要在PVIN和VIN輸入電壓引腳分別使用至少4.7 μF的高質量陶瓷（X5R或X7R）輸入去耦電容。在某些應用中，可能還需要額外的大容量電容。輸入電容的電壓額定值必須大于最大輸入電壓，且其紋波電流額定值要大于轉換器的最大輸入電流紋波。

4.2.5 其他組件選擇

• 慢啟動電容：根據公式 (C 5(nF)=frac{Tss(m s) × Isss (mu A)}{Vref(V)}) 計算，在本設計中，軟啟動時間設為3.5 ms，需要10 - nF的電容。
• 引導電容：需在BOOT和PH引腳之間連接一個0.1 - μF的陶瓷電容，推薦使用X5R或更好等級的電介質，電壓額定值為10 V或更高。
• 欠壓鎖定（UVLO）設置點：通過外部電壓分壓器網絡R6a和R7a調整UVLO，根據相應公式計算電阻值。
• 輸出電壓反饋電阻：使用電阻分壓器網絡R5和R6設置輸出電壓，根據公式計算電阻值。
• 補償組件：通過計算調制器極點和ESR零點，選擇合適的補償組件，以保證調節(jié)器具有較高的相位裕度。

五、布局建議

5.1 布局準則

布局是電源設計的關鍵部分。頂層應包含VIN、VOUT和VPHASE的主要功率走線，以及TPS50601 - SP其余引腳的連接，并填充大面積的接地層。頂層接地層應通過過孔與內部接地層連接，為散熱提供路徑。同時，要注意各引腳的旁路電容選擇和連接，盡量減少環(huán)路面積，降低噪聲和干擾。

5.2 布局示例

參考提供的PCB布局示例，合理安排各組件的位置，確保信號路徑和電源路徑的合理性，以提高電源的性能和穩(wěn)定性。

總之，TPS50601 - SP輻射加固同步降壓轉換器以其出色的性能和豐富的功能，為空間衛(wèi)星等輻射環(huán)境下的應用提供了可靠的電源解決方案。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇和配置各個組件，并遵循布局準則，以確保轉換器能夠穩(wěn)定、高效地工作。你在實際應用中是否遇到過類似轉換器的設計難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和想法。