TPS61253A/E/F：小尺寸、高性能升压转换器的理想之选

在电子设备的电源设计领域，一款性能卓越的升压转换器能够为产品带来稳定可靠的电源供应。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的 TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 这三款 3.8MHz、5V、4A 的升压转换器。

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一、产品特性亮点

1. 宽输入电压范围

TPS61253A 和 TPS61253F 的输入电压范围为 2.3V 至 5.5V，而 TPS61253E 的输入电压范围是 2.5V 至 5.5V（启动电压大于 2.6V）。如此宽的输入电压范围，使得它们能够适配多种不同的电源，特别是锂离子电池供电的应用。

2. 固定输出电压选择

提供 4.5V、4.7V、5.0V、5.2V 和 5.25V 等多种固定输出电压版本，满足不同负载对电压的需求。

3. 集成双 FET

内部集成了 35mΩ 的低侧 FET（LS - FET）和 60mΩ 的高侧 FET（HS - FET），有效降低了导通损耗，提高了转换效率。

4. 大输出电流能力

在输出电压为 5V 且输入电压大于等于 3V 时，TPS61253A 和 TPS61253F 能够连续提供大于等于 1500mA 的输出电流；TPS61253E 在输出电压为 5.25V 且输入电压大于等于 3V 时，也能连续提供大于等于 1500mA 的输出电流。

5. 低静态电流

输入静态电流仅为 42µA，有助于降低功耗，延长电池续航时间。

6. 灵活的工作模式

• 自动 PFM 模式：在轻载时可提高效率，降低功耗。
• 强制 PWM 模式：使开关频率在整个负载范围内保持恒定，适用于对开关频率稳定性要求较高的应用。
• 超声波模式：将开关频率保持在 25kHz 以上，避免产生可听噪声，适用于对声学噪声敏感的应用。

7. 其他特性

还具备输出放电功能、±2% 的输出电压精度、600µs 的软启动时间、打嗝模式短路保护、关机时负载断开以及热关断等功能，提高了系统的可靠性和稳定性。

二、应用领域广泛

• 智能手机：为手机内部的各种模块提供稳定的电源，如 NFC PA 供电等。
• 便携式扬声器：满足扬声器对电源的需求，确保音质稳定。
• USB 充电端口：实现电池电压到 5V 的电源转换，为外部设备充电。
• NFC PA 供电：为近场通信功率放大器提供合适的电源。

三、详细功能解析

1. 工作原理

TPS61253x 同步升压转换器通常在中等到重载电流下以准恒定的 3.8MHz 频率进行脉冲宽度调制（PWM）操作。采用准恒定导通时间谷值电流模式控制方案，实现了出色的线路/负载调节，并允许使用小型电感器和陶瓷电容器。在轻载时，可灵活配置为自动 PFM 模式、强制 PWM 模式或超声波模式。

2. 启动过程

• 预充电阶段：设备启用时，高端整流开关导通，线性地对输出电容充电，输出电流限制为预充电电流限制 (I_{LIM_DC})，当输出电压接近输入电压时，预充电阶段结束。
• 软启动阶段：输出电容偏置接近输入电压后，设备开始开关操作，使用软启动电压调节 FB 引脚电压，输出电压上升斜率跟随软启动电压斜率，达到标称输出电压后，软启动阶段完成，设备正常运行。

3. 功能模式

• 自动 PFM 模式：轻载时，电感谷值电流触发自动 PFM 阈值后，进入该模式，输出电压通常调节为重载电压的 100.8%，延长关断时间以降低开关频率，提高效率。
• 强制 PWM 模式：开关频率在整个负载范围内保持恒定，负载电流减小时，内部误差放大器输出减小，降低电感峰值电流，减少输入到输出的功率传输。
• 超声波模式：独特的控制功能，将开关频率保持在 25kHz 以上，避免声学可听频率，输出电压比 PWM 操作高约 1.6%。
• 直通模式：当输入电压高于 (V{OUT}+0.1V) 且 (V{OUT}) 高于标称输出电压时，自动进入直通模式，高端 FET 完全导通，低端开关关断，输出电压跟随输入电压，存在一定压降。

四、设计要点与建议

1. 电感选择

• 选择饱和电流额定值高于功率开关可能流过的峰值电流的电感器，可使用公式 (I{L(PEAK)}=frac{V{IN} cdot D}{2 cdot f cdot L}+frac{I{OUT}}{(1 - D)}) 估算电感峰值电流，其中 (D = 1-frac{V{IN} cdot eta}{V_{OUT}})。
• 电感的直流电流额定值应比最大输入平均电流大一定余量，可参考公式 (I{L(DC)}=frac{V{OUT}}{V{IN}} cdot frac{1}{eta} cdot I{OUT})。
• 建议选择在开关频率下品质因数高于 25 的电感器，以提高效率。

2. 输出电容选择

• 推荐使用小型陶瓷电容器，尽可能靠近 IC 的 (V_{OUT}) 和 GND 引脚放置。若需要使用大电容且无法靠近 IC，可并联一个小陶瓷电容并靠近引脚放置。
• 可使用公式 (C{MIN}=frac{I{OUT} cdot (V{OUT}-V{IN})}{f cdot Delta V cdot V_{OUT}}) 估算推荐的最小输出电容值，其中 (f) 为开关频率（典型值 3.8MHz），(Delta V) 为最大允许输出纹波。
• 考虑直流偏置效应，应选择电容值为计算最小值两倍的 MLCC 电容器，输出电容需采用 X7R 或 X5R 电介质。

3. 输入电容选择

多层陶瓷电容器是升压转换器输入去耦的理想选择，具有极低的 ESR 和小尺寸。输入电容应尽可能靠近设备放置，大多数应用中 4.7μF 的输入电容已足够，可使用更大值来减少输入电流纹波。使用陶瓷输入电容时需注意，若通过长电线供电，输出负载阶跃可能导致 (V{IN}) 引脚产生振铃，可在 (C{IN}) 和电源之间添加额外的“大容量”电容（电解或钽电容）。

4. 布局设计

• 对于所有开关电源，布局是设计中的重要环节，特别是在高峰值电流和高开关频率下。应使用宽而短的走线作为主要电流路径和电源接地轨道。
• 输入电容、输出电容和电感应尽可能靠近 IC 放置。使用公共接地节点作为电源接地，另一个接地节点作为控制接地，以减少接地噪声的影响，并在靠近 IC 接地引脚的位置连接这两个接地节点。

五、总结

TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 升压转换器凭借其宽输入电压范围、多种输出电压选择、大输出电流能力、灵活的工作模式以及丰富的保护功能，为电池供电的便携式应用提供了优秀的电源解决方案。在设计过程中，合理选择电感、电容等外部元件，并注意布局设计，能够充分发挥该系列转换器的性能优势，为产品带来稳定可靠的电源供应。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求进行选择和设计，相信会取得不错的效果。你在使用类似升压转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。