輻射加固型PWM控制器TPS7H502x/3x：航天電源設(shè)計的理想之選

在航天等對可靠性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗輻射能力至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TPS7H502x和TPS7H503x系列輻射加固型電流模式PWM控制器，憑借其卓越的性能和豐富的功能，成為了眾多航天電源設(shè)計工程師的首選。

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核心特性，應(yīng)對嚴(yán)苛環(huán)境

強(qiáng)大的抗輻射性能

該系列控制器具有出色的抗輻射能力，其輻射硬度保證（RHA）高達(dá)總電離劑量（TID）100krad(Si)。同時，對單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艠O破裂（SEGR）免疫，在LET = 75 MeV - cm2 / mg的條件下，單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）也得到了有效控制。這使得它們能夠在輻射環(huán)境惡劣的太空環(huán)境中穩(wěn)定工作，為航天設(shè)備提供可靠的電源支持。

靈活的電壓輸入和驅(qū)動能力

控制器和驅(qū)動級的最大輸入電壓為14V，專用的柵極驅(qū)動電壓輸入引腳（PVIN）可驅(qū)動硅和GaN器件，在12V時具有1.2A的峰值源和灌電流能力。對于TPS7H502x，還可將VLDO線性穩(wěn)壓器輸出可選地連接到PVIN，以驅(qū)動GaN器件，并且VLDO可編程范圍為4.5V至5.5V，為不同的應(yīng)用需求提供了更多的靈活性。

精準(zhǔn)的電壓參考和頻率控制

0.6V ±1%的電壓參考在溫度、輻射、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)方面表現(xiàn)出色，確保了電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計的高精度。開關(guān)頻率方面，TPS7H502x為100kHz至1MHz，TPS7H503x為100kHz至500kHz，并且支持外部時鐘同步，可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整。

豐富的功能集成

具備可調(diào)節(jié)的斜率補(bǔ)償和軟啟動功能，簡化了整體轉(zhuǎn)換器設(shè)計，減少了外部組件的使用。同時，塑料封裝經(jīng)過ASTM E595的脫氣測試，適用于軍事溫度范圍（–55°C至125°C），進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的可靠性和適用性。

引腳配置與功能解析

TPS7H502x和TPS7H503x采用24引腳HTSSOP封裝，帶有散熱焊盤。各引腳功能明確，分工協(xié)作，確保了控制器的正常運(yùn)行。

電源與接地引腳

• VIN：控制器輸入電壓，TPS7H502x的輸入電壓范圍為4.5V至14V，TPS7H503x為8V至14V，為內(nèi)部控制電路提供電源。
• PVIN：驅(qū)動級電壓輸入，范圍與VIN類似，可直接連接到VIN實現(xiàn)單電源運(yùn)行，也可連接到VLDO為功率晶體管柵極提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓。
• AGND和PGND：分別為控制器電路和驅(qū)動級的接地引腳，在印刷電路板層面需將它們連接在一起，確保信號的穩(wěn)定傳輸。

控制與反饋引腳

• COMP：誤差放大器輸出，用于連接頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整該引腳的參數(shù)，可優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器的性能。
• CS_ILIM：用于PWM控制和逐周期過流保護(hù)的電流檢測引腳，當(dāng)輸入電壓超過1V時，觸發(fā)PWM控制器的過流保護(hù)。
• VSENSE：誤差放大器的反相輸入，通過電阻分壓器將轉(zhuǎn)換器輸出電壓反饋到該引腳，實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。

頻率與功能編程引腳

• RT：用于設(shè)置控制器的開關(guān)頻率，通過連接一個電阻到AGND，可根據(jù)需要調(diào)整開關(guān)頻率。在外部同步模式下，也需連接該電阻并使其與外部時鐘頻率匹配。
• SS：軟啟動引腳，通過連接一個外部電容，可設(shè)置內(nèi)部電壓參考的上升時間，實現(xiàn)軟啟動功能，減少啟動時的電流沖擊。
• SYNC：外部時鐘輸入引腳，可將控制器與外部時鐘同步，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。

典型應(yīng)用案例分析

飛返式轉(zhuǎn)換器設(shè)計

以TPS7H5020為例，在設(shè)計飛返式轉(zhuǎn)換器時，需要根據(jù)具體的設(shè)計要求選擇合適的組件。

• 開關(guān)頻率設(shè)置：通過計算選擇合適的RT電阻，將開關(guān)頻率設(shè)置為500kHz，以充分發(fā)揮GaN功率器件的優(yōu)勢。
• 輸出電壓編程：根據(jù)所需的輸出電壓，選擇合適的反饋電阻分壓器，確保輸出電壓的精度。
• 驅(qū)動PVIN配置：由于使用GaN FET，將VLDO連接到PVIN，并將其編程為5V，為驅(qū)動級提供穩(wěn)定的電壓。
• 軟啟動電容選擇：選擇合適的軟啟動電容，設(shè)置軟啟動時間，以限制啟動時的浪涌電流。
• 變壓器設(shè)計：根據(jù)目標(biāo)規(guī)格計算變壓器的匝數(shù)比和初級電感，確保轉(zhuǎn)換器的性能滿足要求。
• 功率開關(guān)和二極管選擇：根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的功率開關(guān)和輸出二極管，確保其能夠承受最大電壓和電流應(yīng)力。
• 輸出電容選擇：考慮輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，選擇足夠的輸出電容，并考慮輻射誘導(dǎo)單事件瞬態(tài)（SET）的影響，適當(dāng)增加電容以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計

TPS7H502x和TPS7H503x也可用于非同步升壓配置。在升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，需要注意以下幾點：

• FET選型：升壓轉(zhuǎn)換器的峰值FET電流等于輸入電流，因此需要選擇能夠承受輸入電流的FET。
• 短路保護(hù)：由于輸入電源和負(fù)載之間存在直接路徑，負(fù)載短路可能導(dǎo)致大電流流動，因此需要考慮添加斷開開關(guān)以保護(hù)系統(tǒng)。
• 補(bǔ)償設(shè)計：升壓轉(zhuǎn)換器存在右半平面（RHP）零，在確定補(bǔ)償時需要考慮其影響，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

布局與設(shè)計注意事項

為了提高轉(zhuǎn)換器的可靠性和性能，在PCB布局時需要遵循以下原則：

• 反饋跡線布局：將反饋跡線遠(yuǎn)離功率磁性組件和其他噪聲源，避免噪聲干擾。
• 開關(guān)節(jié)點優(yōu)化：最小化轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點的銅面積，減少寄生電容，降低開關(guān)損耗。
• 開關(guān)環(huán)路處理：盡量縮短功率級中所有高di/dt和dv/dt開關(guān)環(huán)路的路徑，減少電磁干擾（EMI）和噪聲耦合。
• 接地分離：將控制器的模擬地與功率級的功率地分開，并在PCB布局中單點連接，避免相互干擾。
• 電容放置：將VIN、PVIN、REFCAP和VLDO的濾波和旁路電容盡可能靠近控制器放置，減少噪聲耦合。
• 補(bǔ)償組件布局：將外部補(bǔ)償組件放置在控制器的COMP引腳附近，確保補(bǔ)償效果。
• VSENSE電阻處理：將用于產(chǎn)生VSENSE電壓的電阻分壓器靠近器件放置，減少噪聲耦合。
• 驅(qū)動引腳布線：將OUTH和OUTL引腳的布線遠(yuǎn)離噪聲敏感信號，減少噪聲干擾。

總結(jié)

TPS7H502x和TPS7H503x系列輻射加固型PWM控制器以其卓越的抗輻射性能、靈活的電壓輸入和驅(qū)動能力、豐富的功能集成以及良好的布局適應(yīng)性，為航天等領(lǐng)域的電源設(shè)計提供了可靠的解決方案。在實際設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇組件和優(yōu)化布局，以充分發(fā)揮該系列控制器的優(yōu)勢，實現(xiàn)高性能、高可靠性的電源系統(tǒng)設(shè)計。你在使用該系列控制器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。