TPS5602：高效雙路DSP電源控制器的設計與應用

一、引言

在當今的電子設備中，DSP（數字信號處理器）的應用越來越廣泛，而穩定高效的電源供應是保證其正常工作的關鍵。TI公司的TPS5602雙路同步降壓開關模式電源控制器，以其快速的反饋控制和最少的元件數量，成為了DSP電源設計的理想選擇。本文將詳細介紹TPS5602的特性、功能以及在DSP電源設計中的應用。

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二、TPS5602概述

2.1 主要特性

• 獨立雙通道：兩個通道相互獨立，可通過設置待機引腳輕松實現上下電順序控制。
• 滯回控制：采用滯回控制方法，具有快速的瞬態響應，適用于高瞬態電流應用，如’C6000和多個’C54x DSP。
• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可調節至低至1.2V。
• 高效率：同步整流技術使效率超過95%。
• 低功耗：典型供電電流為0.8mA，待機電流最大為1μA。
• 封裝形式：采用30引腳TSSOP封裝。
• 評估模塊：提供EVM（TPS5602EVM - 121）供用戶測試和評估。

2.2 功能框圖

TPS5602的功能框圖展示了其內部結構，包括軟啟動、滯回比較器、電流保護、振蕩器等模塊，各模塊協同工作，實現對電源的精確控制。

三、引腳功能詳解

3.1 關鍵引腳

• COMP：電壓監測比較器輸入，用于電壓保護，如DSP電源的輸出欠壓保護。
• CT：振蕩器頻率外部電容連接引腳，用于設置振蕩器頻率。
• GND：控制地。
• INV1/INV2：通道1/2滯回比較器反相輸入。
• LH1/LH2：通道2/1高端柵極驅動升壓電容輸入。
• LL1/LL2：通道1/2高端驅動和電流保護。
• OUT1_d/OUT2_d：通道1/2低端柵極驅動輸出。
• OUT1_u/OUT2_u：通道1/2高端開關輸出。
• OUTGND1/OUTGND2：輸出地。
• REF：1.185V參考電壓輸出。
• REG5V_IN：外部5V輸入。
• SOFTSTART1/SOFTSTART2：通道1/2軟啟動控制外部電容連接。
• STBY1/STBY2：通道1/2待機控制。
• TRIP1/TRIP2：通道1/2輸出電流控制輸入。
• VCC：電源電壓輸入。
• Vref5：5V內部穩壓器輸出。
• VCCSENSE：電源電壓檢測輸入。

四、詳細工作原理

4.1 參考電壓

• 1.185V參考電壓：用于輸出電壓設置和電壓保護（COMP）。
• 5V參考電壓：內部線性穩壓器提供固定5V電壓作為自舉電壓，公差為6%，還可用于為外部電路供電。

4.2 5V開關

當內部5V開關檢測到REG5V引腳有5V輸入時，內部5V線性穩壓器將與MOSFET驅動器斷開，外部5V將用于低端驅動器和高端自舉，從而提高效率。

4.3 滯回比較器

每個通道都有一個滯回比較器，用于調節同步降壓轉換器的輸出電壓。滯回值內部設定，典型值為8.5mV，從比較器輸入到驅動器輸出的總延遲，低到高典型為500ns，高到低典型為350ns。

4.4 驅動器

• 低端驅動器：設計用于驅動低Rds(on)的n溝道MOSFET，最大驅動電壓為5V，驅動電流典型值為1A（源極和漏極）。
• 高端驅動器：同樣設計用于驅動低Rds(on)的n溝道MOSFET，驅動電流為1A（源極和漏極）。當配置為浮動驅動器時，驅動器的偏置電壓由Vref5產生，限制OUTxU和LLx之間的最大驅動電壓為5V，LHx和OUTGNDx之間的最大電壓為30V。

4.5 死區時間控制

死區時間控制通過主動控制MOSFET驅動器的導通時間，防止在開關轉換期間主功率FET出現直通電流。從低端驅動器關斷到高端驅動器導通的典型死區時間為75ns，從高端驅動器關斷到低端驅動器導通的典型死區時間為164ns。

4.6 電流保護

通過VCC Sense和LLx引腳在導通時間內檢測高端功率MOSFET的漏源電壓降來實現電流保護。Vin和TRIPx引腳之間的外部電阻與連接到電流比較器負輸入的內部電流源一起調整電流限制。典型內部電流源電流為15μA。當正引腳電壓低于負引腳電壓時，電流比較器觸發振蕩器，振蕩器反復重置觸發，直到過流條件消除。外部電阻選擇公式為： [R{clmt}=frac{R{ds(on)}times(I{trip}+I{ind(p - p)}/2)}{0.000015}] 其中，(R{ds(on)})是MOSFET導通電阻，(I{trip})是所需的跳閘電流，(I{ind(p - p)})是電感紋波電流峰峰值，(I{trip})必須大于(0.5times I_{ind(p - p)})，公差為±30%。

4.7 軟啟動

獨立的軟啟動端子可以設置每個輸出的啟動順序。啟動時間的電容值可通過以下公式計算： [C = 2times Tquad(mu F)] 其中，(C)是外部電容值，(T)是所需的啟動時間（ms）。

4.8 待機控制

通過將STBY引腳接地，兩個通道可以分別進入待機模式，待機電流小于1μA，STBY引腳還可用于電源順序控制。

4.9 欠壓鎖定（UVLO）

當輸入電壓上升到約3.8V時，IC開啟；當輸入電壓低于開啟值時，IC關閉，典型滯回值為149mV。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

TPS5602的絕對最大額定值規定了其正常工作的電壓、電流和溫度范圍，如電源電壓Vcc為 - 0.3V至27V，輸入電壓VJ、INV為 - 0.3V至7V等。超出這些額定值可能會導致器件永久性損壞。

5.2 推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓Vcc為4.5V至25V，INV1/2、COMP、SOFTSTART1/2等引腳的電壓范圍，以及工作結溫范圍為 - 40°C至85°C。

5.3 電氣參數

在推薦的溫度范圍（(TA=-40^{circ}C)至85°C）和(V{CC}=7V)條件下，TPS5602的各項電氣參數表現良好，如參考電壓Vref典型值為1.185V，靜態電流ICC典型值為0.8mA等。

六、典型特性曲線

文檔中給出了多個典型特性曲線，如靜態電流與電源電壓的關系、驅動輸出電壓與驅動電流的關系、軟啟動電容與軟啟動時間的關系等。這些曲線有助于工程師更好地了解TPS5602在不同工作條件下的性能表現。

七、應用信息

7.1 DSP電源應用

TPS5602提供了一個適用于DSP的參考設計，評估模塊TPS5602EVM - 121可供用戶測試和評估。該EVM的輸入電壓為4.5V至9V，輸出為1.8V/4A和3.3V/3A。通過改變一些組件，可用于不同的工作規格，如高輸入電壓應用。

7.2 關鍵設計公式

• 開關頻率： [fs=frac{V{out}times(V{in}-V{out})times(ESR-(10times10^{-7}+Td)/C{out})}{V{in}times(V{in}times ESRtimes(10times10^{-7}+Td)+0.007times L{out}-ESLtimes V_{in})}] 其中，(fs)是開關頻率（Hz），(V{out})是輸出電壓（V），(V{in})是輸入電壓（V），(C{out})是輸出電容，ESR是輸出電容的等效串聯電阻（Ω），ESL是輸出電容的等效串聯電感（H），(L_{out})是輸出電感（H），(T_d)是輸出反饋濾波器時間常數（S）。
• 輸出電感紋波電流： [I{ripple}=frac{V{in}-V{out}-I{out}times(R{dson}+R{L})}{L_{out}}times Dtimes Ts] 其中，(I{ripple})是電感峰峰值紋波電流（A），(V{in})是輸入電壓（V），(V{out})是輸出電壓（V），(I{out})是輸出電流，(R{dson})是MOSFET導通電阻（Ω），(D)是占空比，(T_s)是開關周期（S）。
• 輸出電容RMS電流： [I{o(rms)}=frac{Delta I}{sqrt{12}}] 其中，(I{o(rms)})是輸出電容的最大RMS電流（A），(Delta I)是電感峰峰值紋波電流（A）。
• 輸入電容RMS電流： [I{i(rms)}=I{o}times(Dtimessqrt{(1 - D)}+(1 - D)timessqrt{D})] 其中，(I{i(rms)})是輸入電容的RMS電流（A），(I{o})是輸出電流（A），(D)是占空比。

7.3 電源順序和欠壓保護

EVM設計使用待機引腳實現電源順序控制，可通過電壓監控電路（如TI TPS3305 - 18）或低成本比較器（如TI TLV1391）實現保護。當第一通道輸出電壓高于啟動閾值電壓時，第二通道的待機引腳才會被拉高。在電源下降過程中，如果核心電壓低于設定值（如1.3V），3.3V輸出也會被拉低，防止DSP因電源故障而損壞。

7.4 布局考慮

良好的電源設計和布局對于TPS5602的性能至關重要。布局時應注意以下幾點：

• 所有敏感模擬組件應參考ANAGND，如連接到Vref5、Vref、INV、LH和COMP的組件。
• 模擬地和驅動地應盡可能隔離，模擬地連接到(V_{O})上大容量存儲電容的接地端，驅動地連接到靠近低端FET源極的主接地平面。
• 驅動器到功率FET柵極的連接應盡量短而寬，以減少雜散電感。
• (V_{CC})的旁路電容應靠近TPS5602放置。

八、測試結果

文檔給出了TPS5602在不同輸出電壓下的效率、負載調節、線路調節、電源上下電順序、輸出電壓紋波和瞬態響應等測試結果，這些結果展示了TPS5602在實際應用中的性能表現。

九、總結

TPS5602作為一款雙路、快速、高效的DSP電源控制器，具有獨立雙通道、滯回控制、寬輸入電壓范圍、高效率等優點。通過合理的設計和布局，可以滿足DSP等設備對電源的高性能要求。在實際應用中，工程師可以根據具體需求，參考文檔中的設計公式和應用信息，實現TPS5602的最佳性能。你在使用TPS5602進行設計時，是否遇到過一些特殊的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。