德州仪器TPS51113和TPS51163同步降压控制器：特性、设计与应用

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。德州仪器（TI）推出的TPS51113和TPS51163同步降压控制器，以其丰富的特性和出色的性能，在服务器、桌面计算机子系统电源等众多应用中发挥着重要作用。今天，我们就来深入了解这两款控制器。

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产品概述

TPS51113和TPS51163是成本优化、功能丰富的单通道同步降压控制器。它们能在4.5 - 13.2V的单一电源下工作，可将低至1.5V的输入电压进行转换。TPS51113的开关频率固定为300kHz，TPS51163则为600kHz。这两款控制器采用电压模式控制，支持输出预偏置启动，还具备可编程过流保护、欠压/过压保护以及电源正常指示等功能。

特性亮点

• 灵活的电源轨：支持5V至12V的电源输入，参考电压为800mV ± 0.8%。
• 过流保护：采用低端 (R_{DS(on)}) 电流感应，具有用户可编程阈值。通过连接从LDRV_OC引脚到GND的外部电阻来设置过流阈值。
• 软启动和自校准：当VDD高于4.3V且COMP_EN引脚释放时，控制器进入两阶段启动序列。第一阶段完成自校准并禁止FET开关，第二阶段开始软启动并启用开关，内部参考电压逐渐升至800mV。
• 欠压/过压保护：通过专用的VOS输入设置输出欠压和过压保护。当VOS电压低于600mV时，欠压保护触发；高于1V时，过压保护激活。
• 电源正常指示：PGOOD输出在输出电压处于目标范围内时为高电平，当输出电压偏离目标值±10%时变为低电平，返回±6%范围内时再次变为高电平。

技术参数

绝对最大额定值

涵盖输入电压范围、各引脚电压范围、工作结温及存储结温等参数。例如，输入电压范围为 -0.3至30V，工作结温范围为 -40至125°C。

电气特性

在 -40°C至85°C的环境温度下，(V_{VDD}=12Vdc) 时，各项参数表现稳定。如参考电压在0°C至85°C时为794 - 806mV，在 -40°C至85°C时为792 - 808mV。

设计要点

外部零件选择

• 电感选择：电感值决定电流纹波大小，进而影响输出电压纹波。需在低纹波电流和低电感值之间取得平衡，可根据公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}{V{IN} × R{IPPLE} × f{SW}}) 计算所需电感值。
• 输出电容计算：根据输出纹波电压和负载瞬态响应要求，可通过公式 (Delta V=I{RIPPLE} times(ESR+frac{1}{8 × C{OUT} × f_{SW}})) 计算输出电容值。同时，还需考虑负载瞬态响应需求，计算最小输出电容。
• 输入电容选择：根据所需输入电压纹波，通过公式 (V{RIPPLE}(C{IN})=frac{I{OUT} × V{OUT}}{C{IN(min)} × V{IN} × f_{SW}}) 选择合适的输入电容。
• MOSFET选择：选择合适的MOSFET对实现高功率转换效率至关重要。需考虑MOSFET的电压和电流额定值以及功率损耗，分别计算高侧MOSFET和同步整流MOSFET的功率损耗。

反馈回路补偿

由于采用电压模式控制，推荐使用Type III网络进行环路补偿。通过选择合适的参数设置极点和零点，以实现高相位裕度和快速响应。

布局考虑

• 信号地和功率地应使用单独的铜平面，敏感节点连接到信号地平面，高功率噪声电路连接到功率地平面，两者在器件附近通过单一路径连接。
• 靠近VDD和GND引脚放置至少0.1μF的陶瓷电容，推荐电容值为1μF。
• PowerPAD应电气连接到GND。
• 调节电压的走线应远离开关组件，偏置电阻应尽可能靠近FB和GND引脚。
• 功率级组件布局应确保最小化环路面积，减少辐射发射。

设计示例

以TPS51113为例，设计一个12V转1.6V/10A的DC - DC转换器。

• 电感选择：选择1.5μH的电感，电感纹波电流为3.08A。
• 输出电容计算：选择470μF的POS - CAP和47μF的陶瓷电容并联。
• 输入电容选择：选择两个22μF的陶瓷电容，ESR为2mΩ。
• MOSFET选择：高侧MOSFET选用BSC079N03S，同步整流MOSFET选用BSC032N03S。
• 反馈回路补偿：采用Type III网络，通过计算确定极点和零点，实现约35.7kHz的交叉频率和约60°的相位裕度。

总结

TPS51113和TPS51163同步降压控制器凭借其丰富的特性和出色的性能，为电源设计提供了可靠的解决方案。在实际设计中，合理选择外部零件、进行反馈回路补偿以及优化布局，能够充分发挥这两款控制器的优势，满足不同应用的需求。你在使用这两款控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。