TPS61253A/E/F：小尺寸、高性能升壓轉換器的理想之選

在電子設備的電源設計領域，一款性能卓越的升壓轉換器能夠為產品帶來穩定可靠的電源供應。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的 TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 這三款 3.8MHz、5V、4A 的升壓轉換器。

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一、產品特性亮點

1. 寬輸入電壓范圍

TPS61253A 和 TPS61253F 的輸入電壓范圍為 2.3V 至 5.5V，而 TPS61253E 的輸入電壓范圍是 2.5V 至 5.5V（啟動電壓大于 2.6V）。如此寬的輸入電壓范圍，使得它們能夠適配多種不同的電源，特別是鋰離子電池供電的應用。

2. 固定輸出電壓選擇

提供 4.5V、4.7V、5.0V、5.2V 和 5.25V 等多種固定輸出電壓版本，滿足不同負載對電壓的需求。

3. 集成雙 FET

內部集成了 35mΩ 的低側 FET（LS - FET）和 60mΩ 的高側 FET（HS - FET），有效降低了導通損耗，提高了轉換效率。

4. 大輸出電流能力

在輸出電壓為 5V 且輸入電壓大于等于 3V 時，TPS61253A 和 TPS61253F 能夠連續提供大于等于 1500mA 的輸出電流；TPS61253E 在輸出電壓為 5.25V 且輸入電壓大于等于 3V 時，也能連續提供大于等于 1500mA 的輸出電流。

5. 低靜態電流

輸入靜態電流僅為 42μA，有助于降低功耗，延長電池續航時間。

6. 靈活的工作模式

• 自動 PFM 模式：在輕載時可提高效率，降低功耗。
• 強制 PWM 模式：使開關頻率在整個負載范圍內保持恒定，適用于對開關頻率穩定性要求較高的應用。
• 超聲波模式：將開關頻率保持在 25kHz 以上，避免產生可聽噪聲，適用于對聲學噪聲敏感的應用。

7. 其他特性

還具備輸出放電功能、±2% 的輸出電壓精度、600μs 的軟啟動時間、打嗝模式短路保護、關機時負載斷開以及熱關斷等功能，提高了系統的可靠性和穩定性。

二、應用領域廣泛

• 智能手機：為手機內部的各種模塊提供穩定的電源，如 NFC PA 供電等。
• 便攜式揚聲器：滿足揚聲器對電源的需求，確保音質穩定。
• USB 充電端口：實現電池電壓到 5V 的電源轉換，為外部設備充電。
• NFC PA 供電：為近場通信功率放大器提供合適的電源。

三、詳細功能解析

1. 工作原理

TPS61253x 同步升壓轉換器通常在中等到重載電流下以準恒定的 3.8MHz 頻率進行脈沖寬度調制（PWM）操作。采用準恒定導通時間谷值電流模式控制方案，實現了出色的線路/負載調節，并允許使用小型電感器和陶瓷電容器。在輕載時，可靈活配置為自動 PFM 模式、強制 PWM 模式或超聲波模式。

2. 啟動過程

• 預充電階段：設備啟用時，高端整流開關導通，線性地對輸出電容充電，輸出電流限制為預充電電流限制 (I_{LIM_DC})，當輸出電壓接近輸入電壓時，預充電階段結束。
• 軟啟動階段：輸出電容偏置接近輸入電壓后，設備開始開關操作，使用軟啟動電壓調節 FB 引腳電壓，輸出電壓上升斜率跟隨軟啟動電壓斜率，達到標稱輸出電壓后，軟啟動階段完成，設備正常運行。

3. 功能模式

• 自動 PFM 模式：輕載時，電感谷值電流觸發自動 PFM 閾值后，進入該模式，輸出電壓通常調節為重載電壓的 100.8%，延長關斷時間以降低開關頻率，提高效率。
• 強制 PWM 模式：開關頻率在整個負載范圍內保持恒定，負載電流減小時，內部誤差放大器輸出減小，降低電感峰值電流，減少輸入到輸出的功率傳輸。
• 超聲波模式：獨特的控制功能，將開關頻率保持在 25kHz 以上，避免聲學可聽頻率，輸出電壓比 PWM 操作高約 1.6%。
• 直通模式：當輸入電壓高于 (V{OUT}+0.1V) 且 (V{OUT}) 高于標稱輸出電壓時，自動進入直通模式，高端 FET 完全導通，低端開關關斷，輸出電壓跟隨輸入電壓，存在一定壓降。

四、設計要點與建議

1. 電感選擇

• 選擇飽和電流額定值高于功率開關可能流過的峰值電流的電感器，可使用公式 (I{L(PEAK)}=frac{V{IN} cdot D}{2 cdot f cdot L}+frac{I{OUT}}{(1 - D)}) 估算電感峰值電流，其中 (D = 1-frac{V{IN} cdot eta}{V_{OUT}})。
• 電感的直流電流額定值應比最大輸入平均電流大一定余量，可參考公式 (I{L(DC)}=frac{V{OUT}}{V{IN}} cdot frac{1}{eta} cdot I{OUT})。
• 建議選擇在開關頻率下品質因數高于 25 的電感器，以提高效率。

2. 輸出電容選擇

• 推薦使用小型陶瓷電容器，盡可能靠近 IC 的 (V_{OUT}) 和 GND 引腳放置。若需要使用大電容且無法靠近 IC，可并聯一個小陶瓷電容并靠近引腳放置。
• 可使用公式 (C{MIN}=frac{I{OUT} cdot (V{OUT}-V{IN})}{f cdot Delta V cdot V_{OUT}}) 估算推薦的最小輸出電容值，其中 (f) 為開關頻率（典型值 3.8MHz），(Delta V) 為最大允許輸出紋波。
• 考慮直流偏置效應，應選擇電容值為計算最小值兩倍的 MLCC 電容器，輸出電容需采用 X7R 或 X5R 電介質。

3. 輸入電容選擇

多層陶瓷電容器是升壓轉換器輸入去耦的理想選擇，具有極低的 ESR 和小尺寸。輸入電容應盡可能靠近設備放置，大多數應用中 4.7μF 的輸入電容已足夠，可使用更大值來減少輸入電流紋波。使用陶瓷輸入電容時需注意，若通過長電線供電，輸出負載階躍可能導致 (V{IN}) 引腳產生振鈴，可在 (C{IN}) 和電源之間添加額外的“大容量”電容（電解或鉭電容）。

4. 布局設計

• 對于所有開關電源，布局是設計中的重要環節，特別是在高峰值電流和高開關頻率下。應使用寬而短的走線作為主要電流路徑和電源接地軌道。
• 輸入電容、輸出電容和電感應盡可能靠近 IC 放置。使用公共接地節點作為電源接地，另一個接地節點作為控制接地，以減少接地噪聲的影響，并在靠近 IC 接地引腳的位置連接這兩個接地節點。

五、總結

TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 升壓轉換器憑借其寬輸入電壓范圍、多種輸出電壓選擇、大輸出電流能力、靈活的工作模式以及豐富的保護功能，為電池供電的便攜式應用提供了優秀的電源解決方案。在設計過程中，合理選擇電感、電容等外部元件，并注意布局設計，能夠充分發揮該系列轉換器的性能優勢，為產品帶來穩定可靠的電源供應。各位工程師在實際應用中，不妨根據具體需求進行選擇和設計，相信會取得不錯的效果。你在使用類似升壓轉換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。