Texas Instruments TPS7H500x-SP：太空应用DC - DC转换器的理想之选

作为电子工程师，在设计DC - DC转换器时，尤其是针对太空应用，需要考虑诸多因素，如辐射耐受性、性能指标和电路布局等。今天就来和大家聊聊Texas Instruments的TPS7H500x - SP系列辐射抗扰PWM控制器，这是我在众多控制器中比较钟爱的一款产品。

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一、产品概述与特点

TPS7H500x - SP系列包括TPS7H5001 - SP、TPS7H5002 - SP、TPS7H5003 - SP和TPS7H5004 - SP，专为太空应用设计，具有出色的辐射耐受性，总电离剂量（TID）可达100krad(Si)，并且对SEL、SEB和SEGR免疫，LET高达(75 MeV - cm^{2} / mg) 。输入电压范围为4V至14V，内部参考电压为0.613V，精度为+ 0.7%/ - 1%，开关频率可配置，最高达2MHz。该系列还提供可编程的斜率补偿和软启动功能，以满足不同的设计需求。

二、产品差异分析

2.1 输出配置

不同型号在输出配置上有所不同。TPS7H5001 - SP和TPS7H5004 - SP具有双主输出（OUTA和OUTB），而TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP只有单主输出（OUTA）。在同步整流输出方面，TPS7H5001 - SP有两个（SRA和SRB），TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP有一个（SRA），TPS7H5004 - SP则没有同步整流输出。这种差异使得工程师在选择时需要根据具体的应用场景，如负载需求、拓扑结构等进行考量。

2.2 功能配置

• 死区时间设置：TPS7H5001 - SP和TPS7H5002 - SP的死区时间可通过电阻编程，而TPS7H5003 - SP的死区时间固定为典型值50ns。
• 前沿消隐时间设置：TPS7H5001 - SP、TPS7H5002 - SP和TPS7H5004 - SP的前沿消隐时间可通过电阻编程，TPS7H5003 - SP的前沿消隐时间固定为典型值50ns。
• 占空比限制：TPS7H5001 - SP的占空比限制可选50%、75%或100%；TPS7H5002 - SP和TPS7H5003 - SP可选75%或100%；TPS7H5004 - SP仅支持50%的占空比限制。

三、电气特性与性能分析

3.1 绝对最大额定值

了解产品的绝对最大额定值对于工程师来说至关重要，这是确保产品安全可靠运行的基础。TPS7H500x - SP的输入电压范围为 - 0.3V至16V，各引脚的电压也有相应的限制范围，如RT、VSENSE等引脚为 - 0.3V至3.3V，SYNC引脚为 - 0.3V至7.5V等。结温范围为 - 55°C至150°C，储存温度范围为 - 65°C至150°C。在实际应用中，我们必须严格遵守这些参数，避免因超出额定值而损坏器件。

3.2 静态电流与开关频率的关系

从典型特性曲线中可以看出，该系列控制器的工作电流和待机电流与开关频率密切相关。随着开关频率的增加，工作电流也会相应增大。例如，当开关频率为500kHz且无负载时，工作电流典型值为6.25mA；当开关频率提高到2MHz时，工作电流典型值上升到8.5mA。这就要求我们在设计时，需要权衡开关频率和功耗之间的关系，以满足系统的性能和功耗要求。

3.3 电压参考精度

内部电压参考在整个系列中具有较高的精度，在不同的温度和工作条件下，能够保持在+ 0.7%/ - 1%的范围内。这对于设计高精度的电源转换器至关重要，能够确保输出电压的稳定性和准确性。

四、典型应用案例 - 同步推挽转换器设计

这里以TPS7H5001 - SP为例，设计一个同步推挽转换器。

4.1 设计要求

明确设计要求是设计的第一步。本次设计的输出电压为5V，最大输出电流为20A，输出预载电流为0.5mA，工作温度为25°C，开关频率为500kHz，峰值输入电流限制为14A，目标带宽约为10kHz。

4.2 详细设计步骤

• 开关频率设置：根据公式(RT=frac{112000}{f_{sw}} - 19.7)，计算出满足500kHz开关频率所需的RT电阻值为204.3kΩ，实际选择标准电阻值205kΩ。
• 输出电压编程电阻选择：使用公式(R{BOTTOM }=frac{V{REF}}{V{OUT } - V{REF }} × R{TOP })，选择(R{TOP})为10kΩ时，计算出(R_{BOTTOM})为1.397kΩ，实际选择1.4kΩ。
• 死区时间设置：考虑到GaN FET的特性，将死区时间设置为约25ns。根据公式(R{PS}=R{SP}=1.207 × D T - 8.858)，计算出所需电阻值为21.3kΩ，实际选择20.5kΩ。
• 前沿消隐时间设置：初始选择前沿消隐时间为约50ns，通过公式(R{LEB}=1.212 × LEB - 9.484)计算出(R{LEB})为51.1kΩ，实际选择49.9kΩ。不过在实际设计中，由于PCB布局的寄生参数和门驱动器的传播延迟等因素影响，这个值可能需要进一步优化。
• 软启动电容选择：选择软启动电容为33nF，根据公式(t{SS}=frac{C{SS} × V{REF}}{I{SS}})，计算出软启动时间约为7.5ms。
• 变压器设计：
  • 匝数比计算：根据目标规格，选择最大占空比约为35%，通过公式(N{P S{-} MAX }=frac{2 × V{IN _MIN } × D{LIM }}{V{OUT } + V{SR}})计算出最大匝数比为2.8，实际选择2.5。
  • 初级电感计算：选择磁化电流为输出电流的6%，根据公式(L{p}=frac{N{P S} × V{I N _M A X} × D{MIN }}{f{sw} × I{MAG }})计算出初级电感为33μH，实际使用40μH。同时，还计算了变压器的初级和次级电流，这些参数对于确定变压器的物理结构非常重要。
• 主开关FET和同步整流FET选择：
  • 主开关FET：在推挽拓扑中，初级侧开关器件承受的电压为输入电压的两倍，因此选择耐压170V的GaN FET，以应对可能出现的瞬态尖峰。
  • 同步整流FET：通过公式(V{SR _T R E S S}=V{OUT } + frac{V{IN _ MAX }}{N{PS }})计算出最大电压应力为19.4V，实际选择耐压80V的GaN FET。为了降低软启动期间的电流和死区时间的反向传导损耗，可并联一个肖特基二极管。
• RCD钳位电路设计：使用RCD钳位电路限制开关节点电压。通过计算确定钳位电压、钳位电阻和钳位电容的初始值，但实际应用中需要通过测试进行优化。
• 输出电感和电容选择：
  • 输出电感：目标纹波电流为40%，根据公式(L{OUT }=frac{(frac{V{IN _{MAX }}}{N{PS }} - V{OUT } - V{SR}) × D{MIN }}{f{sw } × K{L} × I_{OUT }})计算出输出电感为0.5μH，实际选择0.47μH。
  • 输出电容：通过两种方法计算输出电容，分别考虑最大允许电压偏差和输出电压纹波要求。根据计算结果，至少需要1.3mF的输出电容，同时考虑到辐射引起的单事件瞬态（SET）影响，实际使用约2.3mF的总输出电容。为了进一步降低输出纹波，可添加一个输出滤波器，其设计需要选择合适的谐振频率。
• 检测电阻和打嗝电容选择：
  • 检测电阻：设计要求输出电流达到约35A时启动逐周期限流，根据公式计算出检测电阻(R_{CS})为7.73Ω，实际选择7.5Ω。
  • 打嗝电容：选择最小推荐值3.3nF的打嗝电容，根据公式计算出延迟时间约为24.75μs，打嗝时间约为2.31ms。
• 频率补偿和斜率补偿：
  • 频率补偿：使用Type 2A补偿，根据目标交叉频率10kHz，通过一系列公式计算出补偿网络的元件值。实际选择(R{COMP})为40.2kΩ，(C{COMP})为15nF，(C_{HF})为47pF。
  • 斜率补偿：根据公式计算出斜率补偿值为(0.319V/μs)，然后通过公式计算出电阻值为99.4kΩ，实际选择102kΩ。

五、布局注意事项

5.1 整体原则

合理的PCB布局对于提高转换器的可靠性和性能至关重要。首先，要将反馈走线与功率磁性元件和其他噪声源保持足够的距离，避免干扰。例如，尽量不要让反馈走线经过电感或变压器下方，如果无法避免，应使用接地层进行隔离。其次，要减小开关节点的铜面积，以降低寄生电容和开关损耗，同时要将对噪声敏感的信号走线远离开关节点。

5.2 具体布线要求

• 接地处理：要将控制器的模拟地（AVSS）与功率地分开，在PCB布局中通过单点连接。功率半导体开关的源极、功率级的输入电容的返回端和输出电容的返回端都应连接到PCB功率地。
• 高电流走线：高电流走线应尽量短、直且宽，一般每安培电流的走线宽度不小于15mils（0.381mm）。
• 电容放置：VIN、REFCAP和VLDO的滤波和旁路电容应尽量靠近控制器放置，优先选择低ESR和ESL的表面贴装陶瓷电容，并尽量减小旁路电容连接、相应引脚和AVSS形成的环路面积。
• 补偿元件放置：外部补偿元件应靠近控制器的COMP引脚放置，建议使用表面贴装元件。
• 信号隔离：OUTA、OUTB、SRA和SRB等驱动信号的走线应远离VSENSE、COMP等噪声敏感信号的走线，以减少噪声耦合。对于CS_ILIM引脚的输入信号，可能需要进行RC滤波，并将滤波电阻和电容靠近CS_ILIM放置。

TPS7H500x - SP系列PWM控制器为太空应用的DC - DC转换器设计提供了强大而灵活的解决方案。通过深入了解其特性、功能和应用设计方法，我们能够更好地发挥其优势，设计出高性能、可靠的电源系统。大家在实际应用中遇到过什么问题或者有什么独特的见解，欢迎一起交流探讨。