TPS7H4001-SP：辐射加固同步降压转换器的深度解析

在电子工程领域，尤其是涉及航天等对可靠性要求极高的应用场景，辐射加固电源转换器是不可或缺的关键组件。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）的TPS7H4001-SP辐射加固同步降压转换器。

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一、产品概述

TPS7H4001-SP是一款经过辐射加固保证的7V、18A同步降压转换器，内部集成了低电阻的高端和低端MOSFET。通过采用电流模式控制，它实现了高效率和减少组件数量的目标，在众多对辐射敏感的应用中表现出色，例如空间卫星负载点电源。

二、产品特性

（一）辐射性能卓越

1. 总电离剂量（TID）：辐射加固保证可达100 krad(Si)，这意味着它在辐射环境下能够保持稳定的性能，大大提高了在太空等辐射环境中的可靠性。
2. 单粒子效应（SEE）免疫：对(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)的单粒子锁定（SEL）、单粒子烧毁（SEB）和单粒子栅穿（SEGR）免疫，同时还对单粒子瞬态（SET）和单粒子功能中断（SEFI）进行了表征，直至(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)，为设备在辐射环境下的正常运行提供了有力保障。

（二）高转换效率

该转换器的峰值效率可达95.5%（在(V_{O}=1 ~V)、100 kHz条件下），这一高效性能有助于降低功耗，提高能源利用率，延长设备的电池续航时间或减少散热需求。

（三）宽输入电压范围

其电源轨在VIN引脚处支持3V至7V的输入电压，这使得它能够适应多种不同的电源环境，增加了应用的灵活性。

（四）灵活的开关频率选项

1. 内部振荡器：内置的振荡器可在100-kHz至1-MHz范围内进行调节，用户可以根据具体应用需求选择合适的开关频率，以优化效率和性能。
2. 外部同步：支持100-kHz至1-MHz的外部同步功能，通过SYNC引脚，还可以将4个设备配置为90°异相的500-kHz时钟，实现并行操作，以满足更大功率的需求。

（五）精确的电压参考

不同封装选项下，具有高精度的电压参考。例如，对于CDFP、KGD（已知良品芯片）和HTSSOP（QMLP）选项，在温度、辐射、线路和负载调节条件下，0.6-V电压参考的精度可达±1.5%；对于HTSSOP（SHP）选项，精度为±1.7%。

（六）其他特性

1. 单调启动：能够安全地启动到预偏置输出，避免了启动过程中可能出现的电压波动和不稳定问题。
2. 可调节功能：具备可调节的斜坡补偿和软启动功能，以及可调节的输入使能和电源良好输出功能，方便用户进行电源排序和优化系统性能。

三、应用场景

由于其出色的辐射性能和高功率输出能力，TPS7H4001-SP主要应用于空间卫星负载点电源等对辐射敏感且对电源性能要求较高的领域。在卫星系统中，它能够为各种电子设备提供稳定可靠的电源供应，确保卫星的正常运行。

四、详细功能分析

（一）工作原理

TPS7H4001-SP采用恒定频率、峰值电流模式控制，通过内部的误差放大器将VSENSE引脚电压与内部电压参考进行比较，从而控制输出电压。这种控制方式不仅提高了线路和负载瞬态响应性能，还简化了外部频率补偿设计。

（二）引脚功能

该转换器具有多种引脚，每个引脚都有特定的功能：

1. VIN和PVIN：VIN为内部控制电路供电，PVIN为功率转换系统提供输入电压，两者输入电压范围均为3V至7V。可以通过连接到EN引脚的分压器来适当调整输入电压欠压锁定（UVLO）阈值，以提供一致的上电行为。
2. EN：用于控制设备的开启和关闭，具有内部上拉电流源，用户可以将其浮空以启用设备，也可以通过外部电路进行控制。
3. RT：通过连接到GND的电阻来配置开关频率，支持内部振荡器、外部同步和主 - 从操作三种模式。
4. SYNC1和SYNC2：用于外部同步和设备的并行操作。在不同的模式下，它们可以作为输入或输出引脚，实现时钟信号的同步和相位调整。
5. SS/TR：用于软启动和跟踪功能，通过连接外部电容来设置内部电压参考的上升时间，避免了启动时的浪涌电流，并可实现电源供应的时序控制。
6. PWRGD：一个开漏输出引脚，用于监测输出电压。当VSENSE引脚电压在内部电压参考的94%至106%之间时，PWRGD引脚悬空；当电压低于91%或高于109%时，引脚被拉低，表示电源出现故障。

（三）保护功能

1. 过压保护：当VSENSE引脚电压超过过压保护阈值时，高端MOSFET将被关闭，以防止输出电压过冲。只有当VSENSE电压降至阈值以下时，高端MOSFET才会在下一个时钟周期重新开启。
2. 过流保护：采用逐周期电流限制，分别对高端和低端MOSFET进行过流保护。当检测到过流时，会采取相应的措施，如关闭开关或进行电流限制，以避免设备损坏。
3. 热关断：当结温超过190°C（典型值）时，内部热关断电路将强制设备停止开关操作；当结温降至172°C（典型值）以下时，设备将重新启动电源序列。

五、设计实例与参数计算

（一）设计需求

以一个具体的设计为例，我们假设设计参数如下：	设计参数	示例值
输出电压	1 V
最大输出电流	18 A
瞬态响应（9 - A负载阶跃）	ΔVOUT = 5%
输入电压	5 V
输出电压纹波	20 mVp - p
启动输入电压（上升VIN）	4.5 V
停止输入电压（下降VIN）	4.3 V
开关频率	500 kHz

（二）详细设计步骤

1. 开关频率选择：选择500 kHz的开关频率，因为该调节器可以内部生成此频率，所以如果需要，也可以不使用RT电阻。
2. 输出电感选择：根据公式(L=frac{V{INMAX } - V{OUT }}{I{O} × K{L}} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW}})计算输出电感值，其中(K{L})表示电感纹波电流与最大输出电流的比例。在本设计中，取(K_{L}=0.1)，计算得到电感值为0.9 μH。同时，要确保所选电感的RMS电流和饱和电流额定值不被超过。
3. 输出电容选择：输出电容的选择需要考虑输出电压纹波、负载电流变化引起的电压偏差以及单粒子效应的缓解。通过公式(C{OUT }>frac{2 × Delta I{0}}{f{SW} × Delta VOUT })和(C{OUT }>frac{1}{8 × f{SW}} × frac{I {ripple }}{VOUT _{ripple }})分别计算满足不同要求的最小电容值，并根据实际情况进行调整。在本设计中，综合考虑各种因素，选择了总输出电容为2 mF，等效ESR约为2 mΩ的电容。
4. 输入电容选择：TPS7H4001-SP需要在PVIN和VIN输入电压引脚处使用至少4.7 μF的高质量陶瓷输入去耦电容（如X5R或X7R类型），并根据需要添加额外的大容量电容。通过公式(I{CINrms }=I{0} × sqrt{frac{V{OUT }}{V{INMIN }} × frac{(V{INMIN } - V{OUT })}{V_{IN_MIN }}})计算输入纹波电流，以确保所选电容具有足够的纹波电流额定值。
5. 软启动电容选择：软启动电容(C{SS})用于控制输出电压在启动过程中的上升时间。根据公式(t{SS}(ms)=frac{0.8 × C{SS}(nF) × V{REF}(V)}{I_{SS}(mu A)})计算所需的电容值。在本设计中，将软启动时间设置为约2 ms，需要一个10 - nF的电容。
6. 欠压锁定（UVLO）设置：通过外部电阻分压器网络调整UVLO阈值，使用公式(R{1}=frac{V{START } × frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}-V{STOP }}{I{p}(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISING }})+I{h}})和(R{2}=frac{R{1} × V{ENFALLING }}{V{STOP } - V{ENFALLING }+R{1}(I{p}+I_{h})})计算电阻值。
7. 输出电压反馈电阻选择：使用电阻分压器网络(R{TOP })和(R{BOTTOM })设置输出电压，公式为(R{BOTTOM }=frac{V{REF}}{VOUT - V{REF}} × R{TOP})。在本设计中，选择(R{TOP}=10 kΩ)，计算得到(R{BOTTOM}=15.32 kΩ)，选择最近的标准1%电阻15.4 kΩ。
8. 补偿组件选择：采用Type 2B补偿方式，设置交叉频率为开关频率的十分之一。根据公式(R{3}=frac{2 pi × f{co } × V{OUT } × C{OUT }}{gm{ea } × V{REF } × gm{ps}})和(C{1}=frac{C{OUT } × R{L}}{R_{3}})计算补偿组件的值。

（三）并行操作

TPS7H4001-SP可以配置为主 - 从模式，以提供高达72 - A的输出电流。在并行操作时，需要注意RT引脚的配置、SYNC引脚的连接方式以及补偿、软启动和使能网络的设计。例如，对于主设备，RT引脚应悬空，以设置频率为500 kHz，并将SYNC1和SYNC2引脚配置为输出引脚；对于从设备，RT引脚应连接到一个电阻，以匹配主设备的频率。同时，所有VSENSE、COMP、SS/TR和EN引脚都应连接在一起，并且在计算相关组件值时，需要考虑并联设备的数量。

六、布局注意事项

（一）整体布局

在进行PCB布局时，应包含一个大面积的顶层接地区域，并通过过孔将其与内部接地层连接，特别是在输入旁路电容、输出滤波电容和TPS7H4001-SP设备下方，以提供良好的热路径。

（二）引脚连接

1. GND引脚：应直接连接到IC下方的散热垫。
2. PVIN引脚：需要使用低ESR的陶瓷旁路电容（如X5R或X7R类型）连接到地，并尽量减小旁路电容连接、PVIN引脚和接地连接所形成的环路面积，以减少噪声和提高性能。
3. VIN引脚：同样需要使用低ESR的陶瓷电容连接到地，但应连接到相对安静的模拟接地迹线，而不是PVIN旁路电容的电源接地迹线。
4. PH引脚：作为开关节点，输出电感应靠近PH引脚放置，并尽量减小PCB导体的面积，以防止过多的电容耦合。
5. 反馈迹线：应远离电感电磁干扰（EMI）和其他噪声源，尽量远离电感、相位（PH）节点和嘈杂的功率迹线。如果无法避免，应确保迹线在另一层布线，并使用接地层将迹线和电感隔开。
6. RT和COMP引脚：对噪声敏感，周围的组件应尽可能靠近IC放置，并尽量缩短迹线长度。
7. 功率迹线：应尽量短、直且厚，以降低电阻和电感，提高电源效率。

七、总结

TPS7H4001-SP辐射加固同步降压转换器以其卓越的辐射性能、高转换效率、灵活的开关频率选项和丰富的保护功能，成为空间卫星等对辐射敏感应用的理想选择。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其性能优势，为电子系统提供稳定可靠的电源供应。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的设计要求和应用场景，仔细选择组件和优化布局，以确保系统的性能和可靠性。同时，还可以参考德州仪器提供的相关文档和评估模块，进一步了解和应用这款优秀的电源转换器。