探索TPS6100x系列单双节升压转换器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，电源管理是至关重要的一环。升压转换器作为电源管理的关键组件，能够将低电压转换为高电压，满足不同设备的供电需求。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的TPS6100x系列单双节升压转换器。

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1. 产品概览

TPS6100x系列包括TPS61000、TPS61001、TPS61002、TPS61003、TPS61004、TPS61005、TPS61006和TPS61007等型号。该系列转换器专为单节或双节镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）或碱性电池供电的系统设计，输出电压可在1.5V至3.3V之间调节，能从单节电池提供最小100mA的输出电流，从双节电池提供250mA的输出电流。

1.1 主要特性

• 低压启动与满载能力：能在低至0.9V的电源电压下启动进入满载状态，在整个温度范围内都能保持稳定。从0.8V电源电压可提供最小100mA的输出电流，从1.8V可提供250mA的输出电流。
• 高效转换：具有高达90%的功率转换效率，并且在低输出电流时采用节能模式，进一步提高效率。
• 低静态电流：器件静态电流小于50µA，有助于延长电池续航时间。
• 集成功能：集成了低电池比较器，增强了系统安全性；还集成了抗振铃开关，降低了电磁干扰（EMI）。
• 小巧封装：采用微型10引脚MSOP封装，节省电路板空间。
• 评估模块：提供评估模块（TPS6100xEVM–156），方便工程师进行测试和开发。

1.2 应用领域

该系列转换器适用于多种单节和双节电池供电的产品，如MP3播放器、无线耳机、寻呼机、无绳电话、便携式医疗诊断设备和遥控器等。

2. 详细技术分析

2.1 工作原理

TPS6100x基于固定频率、电流模式脉冲宽度调制（PWM）控制器。在中等到重负载电流下，通常以500kHz的频率工作；在低负载电流时进入节能模式，以保持宽负载范围内的高效率。

2.2 功能模块

• 控制器电路：采用电流模式控制拓扑，通过测量开关两端的电压实现电流检测，并在每个脉冲周期内限制通过功率开关的电流。为防止电感饱和，电感饱和电流应高于TPS6100x的电流限制。在轻负载时，控制器进入节能模式，仅在输出电压低于设定阈值时进行开关操作，以减少开关损耗。
• 设备使能：当EN引脚置高时，设备开始工作；启动过程中，电池输入电流受限，直到COMP引脚电压达到工作点。当EN引脚接地时，设备进入关机模式，调节器停止开关操作，所有内部控制电路（包括低电池比较器）关闭，输出电压降至输入电压以下一个二极管压降。
• 欠压锁定：当(V{BAT})电源电压低于约0.7V时，欠压锁定功能可防止设备启动，避免转换器故障。在工作过程中，若电池放电导致(V{BAT})电压降至约0.7V以下，设备会自动进入关机模式。
• 低电池检测电路：用于监测电池电压，当LBI引脚电压降至500mV ±15mV的设定阈值以下时，LBO引脚输出低电平。可通过连接到LBI引脚的电阻分压器对检测电路的开关电压进行编程。若不使用该功能，LBI引脚应连接到GND或(V_{BAT})，LBO引脚可悬空。
• 低EMI开关：当转换器进入不连续电流模式时，集成的抗振铃开关可消除SW节点上的振铃现象，将该节点电压内部钳位到(V_{BAT})，从而大大降低开关调节器产生的电磁干扰。
• 可调输出电压（仅TPS61000和TPS61007）：可调输出电压版本的精度取决于内部电压参考的精度、控制器拓扑和外部电阻分压器的精度。通过使用1%精度的反馈电阻分压器，在整个温度和输出电流范围内可实现±6%的总精度。TPS61007通过为反馈电阻分压器添加单独的接地引脚（FBGND），消除了反馈环路中的接地偏移问题。

3. 应用设计

3.1 设计要求

以典型应用为例，设计参数如下：

• 输入电压范围：1.8V至3.3V
• 输出电压：3.3V
• 输出电压纹波：±3% (V_{OUT})

3.2 详细设计步骤

3.2.1 编程可调输出电压

对于TPS61000和TPS61007，可通过外部电阻分压器调节输出电压。FB引脚在固定频率工作时的典型电压为500mV，在节能模式下为485mV。输出电压的最大值为3.3V。电阻分压器的电流应约为流入FB引脚电流的100倍，推荐R4的值在500kΩ左右，可根据所需输出电压(V{OUT})计算R3的值： [R 3=R 4 timesleft(frac{V{O}}{V{FB}}-1right)=500 k Omega timesleft(frac{V{O}}{500 mV}-1right)]

3.2.2 编程低电池比较器阈值电压

低电池比较器的电流应约为流入LBI引脚电流的100倍，推荐R2的值在500kΩ左右。可根据所需的最小电池电压(V{BAT})计算R1的值。LBO引脚为开漏输出，需要一个上拉电阻，推荐值为1MΩ，且应仅上拉到(V{OUT})。

3.2.3 电感选择

选择电感时，应确保电感的可能峰值电流低于所选配置中功率开关的电流限制阈值。同时，电感的电流纹波应小于平均电感电流的20%，以减少电感的磁滞损耗、输出电压纹波和EMI。可根据以下公式计算电感值： [I{L}=I{OUT } × frac{V{OUT }}{V{BAT } × 0.8}] (Delta I{L}) 为电感中的纹波电流，即20% (I{L}) 。

3.2.4 电容选择

输出电容的主要参数是转换器允许的最大输出电压纹波。可根据以下公式计算最小电容值： [C{min }=frac{I{OUT } timesleft(V{OUT }-V{BAT }right)}{f × Delta V × V_{OUT }}] 其中，f为开关频率，(Delta V) 为最大允许纹波。此外，还需考虑电容的等效串联电阻（ESR）对纹波的影响。

3.2.5 整流器选择

应选择具有低正向电压和快速反向恢复特性的肖特基二极管作为整流器，以最小化直流 - 直流转换器的整体损耗。二极管的最大电流额定值应足够高，反向电压额定值应高于输出电压。

3.2.6 控制环路补偿

为稳定转换器的控制环路，需在COMP引脚连接一个R/C/C网络，补偿电感L1产生的极点和输出电容的ESR及电容产生的零点。

4. 布局与散热考虑

4.1 布局指南

对于所有开关电源，布局是设计中的重要环节，尤其是在高峰值电流和高开关频率的情况下。应使用宽而短的走线作为主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。使用单独的电源接地节点和控制接地节点，以减少接地噪声的影响，并在靠近IC的接地引脚处连接这两个接地节点。反馈分压器应尽可能靠近IC的控制接地引脚。

4.2 散热考虑

TPS6100x器件的最大结温为125°C，10引脚MSOP封装（DGS）的热阻为(R_{theta J A}=161^{circ} C / W) 。在正常工作条件下，转换器IC内部产生的总损耗小于50mW，远低于最大允许功率耗散248mW，因此一般无需特别关注散热问题。

5. 总结

TPS6100x系列单双节升压转换器以其出色的性能和丰富的功能，为单节和双节电池供电的设备提供了高效、可靠的电源解决方案。在设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择电感、电容、整流器等外部组件，并注意布局和散热问题，以确保转换器的性能和稳定性。你在使用TPS6100x系列转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。