太空應(yīng)用的理想之選：TPS7H4010-SEP同步降壓電壓轉(zhuǎn)換器深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理模塊猶如設(shè)備的心臟，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。特別是在對(duì)可靠性要求極高的太空應(yīng)用領(lǐng)域，一款高性能、高可靠性的電源轉(zhuǎn)換器顯得尤為重要。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的TPS7H4010-SEP輻射加固型同步降壓電壓轉(zhuǎn)換器。

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一、核心特性：專為太空環(huán)境打造

1. 輻射加固能力

太空環(huán)境充滿了各種輻射，對(duì)電子設(shè)備的可靠性構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。TPS7H4010-SEP在輻射防護(hù)方面表現(xiàn)出色，它具備SEL、SEB和SEGR免疫能力，能承受高達(dá)[LET =43 MeV - cm^{2} / mg]的輻射，同時(shí)對(duì)SET和SEFI也進(jìn)行了高達(dá)[LET =43 MeV - cm^{2} / mg]的特性表征。此外，每個(gè)晶圓批次都能保證高達(dá)20 krad(Si)的總電離劑量（TID），并且經(jīng)過(guò)測(cè)試，其TID特性可達(dá)30 krad(Si)，為太空應(yīng)用提供了可靠的輻射防護(hù)。

2. 太空增強(qiáng)型塑料封裝

該轉(zhuǎn)換器采用太空增強(qiáng)型塑料封裝，具有受控基線、Au鍵合線和NiPdAu引腳鍍層等特點(diǎn)。其增強(qiáng)型模塑料具有低放氣特性，減少了在太空環(huán)境中因放氣導(dǎo)致的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，單一的制造、組裝和測(cè)試地點(diǎn)確保了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，延長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期和產(chǎn)品變更通知機(jī)制，為長(zhǎng)期的太空任務(wù)提供了穩(wěn)定的供應(yīng)保障，并且產(chǎn)品具有良好的可追溯性。

3. 寬電壓轉(zhuǎn)換范圍與低MOSFET導(dǎo)通電阻

TPS7H4010-SEP的電壓轉(zhuǎn)換范圍非常寬，最小導(dǎo)通時(shí)間（(t{ON - MIN})）典型值為60 ns，最小關(guān)斷時(shí)間（(t{OFF - MIN})）典型值為70 ns，能夠適應(yīng)不同的輸入電壓和負(fù)載需求。其低MOSFET導(dǎo)通電阻也是一大亮點(diǎn)，高端MOSFET導(dǎo)通電阻（(R_{DS_ONHS})）典型值為53 mΩ，低端MOSFET導(dǎo)通電阻（(R{DS_ON_LS})）典型值為31 mΩ，有效降低了功率損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

4. 可調(diào)節(jié)頻率范圍與同步功能

該轉(zhuǎn)換器的頻率范圍可在350 kHz至2.2 MHz之間調(diào)節(jié)，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率。同時(shí)，它還支持與外部時(shí)鐘同步，方便在多模塊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，減少電磁干擾。

5. 豐富的保護(hù)與控制功能

內(nèi)部補(bǔ)償功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，減少了外部組件的使用。功率良好標(biāo)志（Power - good flag）可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓是否正常，為系統(tǒng)提供了可靠的狀態(tài)指示。精確使能功能可以通過(guò)外部電阻分壓器編程系統(tǒng)欠壓鎖定（UVLO），實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉的精確控制。固定或可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)時(shí)間可以減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，保護(hù)設(shè)備和負(fù)載。逐周期電流限制和打嗝模式的短路保護(hù)功能，以及熱關(guān)斷保護(hù)功能，為設(shè)備提供了全方位的保護(hù)，確保在各種異常情況下都能安全可靠地運(yùn)行。

二、應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛覆蓋太空系統(tǒng)

TPS7H4010-SEP的高性能和高可靠性使其在太空應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，可作為太空衛(wèi)星中FPGA、微控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和ASIC等設(shè)備的負(fù)載點(diǎn)電源，為通信有效載荷、命令和數(shù)據(jù)處理、光學(xué)成像有效載荷、雷達(dá)成像有效載荷、激光通信有效載荷、導(dǎo)航有效載荷和科學(xué)探索有效載荷等提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

三、詳細(xì)功能剖析

1. 同步降壓調(diào)節(jié)器

TPS7H4010-SEP是一款集成了高端（HS）和低端（LS）功率MOSFET的同步降壓轉(zhuǎn)換器。與非同步降壓轉(zhuǎn)換器相比，同步轉(zhuǎn)換器具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、外部組件少、總解決方案尺寸小、重載時(shí)效率高、PCB設(shè)計(jì)容易和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。特別是在輸出電壓較低的情況下，LS MOSFET的低電壓降能夠有效降低功率損耗，提高效率。同時(shí)，集成的LS MOSFET還能讓控制器在LS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)獲取電感電流信息，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制策略，如逐周期的峰值和谷值電流限制，提供更強(qiáng)大的保護(hù)功能。

2. 自動(dòng)模式和FPWM模式

該轉(zhuǎn)換器具有引腳可配置的自動(dòng)模式和強(qiáng)制PWM（FPWM）模式。在自動(dòng)模式下，輕載時(shí)設(shè)備以二極管仿真模式（DEM）運(yùn)行，即不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），此時(shí)電感電流在達(dá)到0 A時(shí)停止流動(dòng)，與非同步調(diào)節(jié)器的工作方式相同，具有較高的效率。當(dāng)負(fù)載增加，電感電流谷值高于0 A時(shí)，設(shè)備進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），開(kāi)關(guān)頻率由RT引腳設(shè)定。在輕載時(shí)，當(dāng)峰值電流達(dá)到最小峰值電感電流（(I_{PEAK_MIN})）時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)降低，進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，這對(duì)于電池供電的系統(tǒng)尤為重要。

在FPWM模式下，無(wú)論負(fù)載大小，設(shè)備都以CCM模式運(yùn)行，開(kāi)關(guān)頻率由RT引腳或同步輸入設(shè)定。輕載時(shí)，由于導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗較高，效率低于自動(dòng)模式，但固定的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用非常有利。

3. 固定頻率峰值電流模式控制

TPS7H4010-SEP采用固定頻率峰值電流模式控制，內(nèi)部時(shí)鐘控制開(kāi)關(guān)頻率。為了實(shí)現(xiàn)精確的直流負(fù)載調(diào)節(jié)，通過(guò)電壓反饋回路生成峰值電流命令。在HS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，SW引腳電壓上升至接近輸入電壓，電感電流線性增加；當(dāng)電感電流達(dá)到峰值電流命令時(shí)，HS開(kāi)關(guān)關(guān)閉，LS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感電流通過(guò)LS開(kāi)關(guān)放電。調(diào)節(jié)回路會(huì)不斷調(diào)整峰值電流命令，以保持輸出電壓恒定。

4. 可調(diào)節(jié)輸出電壓

輸出電壓通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，將FB引腳電壓調(diào)節(jié)至與內(nèi)部參考電壓相同。TI建議使用公差為1%或更好、溫度系數(shù)為100 ppm或更低的分壓器電阻，以確保在不同溫度下實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)。通常，推薦(R{FBT})取值在10 kΩ至100 kΩ之間，較大的(R{FBT})和(R_{FBB})值可以降低分壓器中的靜態(tài)電流，提高輕載時(shí)的效率，但也會(huì)使反饋路徑更容易受到噪聲影響。

5. 使能和UVLO功能

當(dāng)VCC電壓高于欠壓鎖定（UVLO）電平(V_{CCUVLO})，且EN電壓高于(V{EN_VOUTH})時(shí)，TPS7H4010-SEP開(kāi)始調(diào)節(jié)輸出電壓。內(nèi)部LDO輸出電壓VCC在EN電壓高于(V{EN_VCCH})時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)VCC高于UVLO時(shí)，精確使能電路也會(huì)開(kāi)啟。當(dāng)EN電壓低于(V{EN_VCC_L})時(shí)，設(shè)備進(jìn)入關(guān)斷模式。為了避免噪聲耦合，建議在PVIN和EN引腳之間使用上拉電阻。此外，許多應(yīng)用可以使用使能分壓器來(lái)設(shè)置自定義的系統(tǒng)UVLO，以滿足特定的時(shí)序要求或減少電池電源的深度放電。

6. 內(nèi)部LDO、(V_{CC_UVLO})和BIAS輸入

該轉(zhuǎn)換器集成了內(nèi)部LDO，為控制電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)器生成VCC電壓。VCC引腳必須連接一個(gè)1 - μF至4.7 - μF的旁路電容，并盡可能靠近引腳并良好接地。當(dāng)VCC電壓過(guò)低時(shí)，(V_{CCUVLO})會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)功能，防止設(shè)備在內(nèi)部電路電壓不足時(shí)運(yùn)行。LDO可以從輸入電壓(V{IN})或BIAS輸入獲取電源，當(dāng)BIAS連接到高于3.3 V的電壓時(shí)，LDO將從(V{BIAS})獲取電源，以降低LDO的功率損耗。TI建議在(V{OUT})在3.3 V至18 V之間時(shí)，將BIAS引腳連接到(V_{OUT})，以提高效率。

7. 軟啟動(dòng)和電壓跟蹤

TPS7H4010-SEP具有軟啟動(dòng)功能，可在啟動(dòng)時(shí)控制輸出電壓的上升斜率，減少浪涌電流，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。如果SS/TRK引腳浮空，設(shè)備將按照固定的內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡啟動(dòng)；如果需要更長(zhǎng)的軟啟動(dòng)時(shí)間，可以在SS/TRK引腳和地之間連接一個(gè)外部電容。此外，該轉(zhuǎn)換器還支持跟蹤外部電壓斜坡，只要斜坡速度慢于內(nèi)部軟啟動(dòng)斜坡即可。在啟動(dòng)期間，無(wú)論模式設(shè)置如何，設(shè)備都以二極管仿真模式運(yùn)行，并且能夠在預(yù)偏置輸出條件下啟動(dòng)。

8. 可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率

內(nèi)部振蕩器頻率由RT引腳的阻抗控制。如果RT引腳開(kāi)路，設(shè)備將以默認(rèn)的500 kHz開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行。通過(guò)連接一個(gè)電阻到RT引腳，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率的選擇通常需要在轉(zhuǎn)換效率和解決方案尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。較低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高整體效率，但需要使用較大的功率電感和輸出電容；較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使用較小的電感和電容，實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，但開(kāi)關(guān)損耗會(huì)增加。

9. 頻率同步和模式設(shè)置

TPS7H4010-SEP的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以與350 kHz至2.2 MHz的外部時(shí)鐘同步。建議將外部時(shí)鐘通過(guò)一個(gè)合適的終端電阻連接到SYNC/MODE引腳。如果不使用該功能，應(yīng)將SYNC/MODE引腳接地。SYNC/MODE引腳還用于設(shè)置操作模式，連接到地或低于0.3 V的邏輯信號(hào)時(shí)，設(shè)備以自動(dòng)模式運(yùn)行；連接到高于0.6 V的偏置電壓或邏輯信號(hào)時(shí)，設(shè)備以FPWM模式運(yùn)行。當(dāng)與外部時(shí)鐘同步時(shí)，設(shè)備以FPWM模式運(yùn)行。

10. 內(nèi)部補(bǔ)償和(C_{FF})

該轉(zhuǎn)換器采用內(nèi)部補(bǔ)償，內(nèi)部R - C值分別為500 kΩ和30 pF，能夠在較寬的工作頻率和輸出電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的環(huán)路響應(yīng)。當(dāng)使用較大阻值的(R{FBT})（MΩ級(jí)）或僅使用低ESR輸出電容（陶瓷類型）時(shí)，控制環(huán)路的相位裕度可能會(huì)降低。此時(shí)，可以在(R{FBT})上并聯(lián)一個(gè)外部前饋電容(C{FF})，以提高相位裕度。選擇(C{FF})時(shí)，應(yīng)使其在估計(jì)的交叉頻率(f_{X})處提供最大的相位提升。

11. 自舉電容和(V_{BOOT_UVLO})

HS開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)高于輸入電壓的偏置電壓，連接在CBOOT和SW引腳之間的自舉電容(C{BOOT})作為電荷泵，將CBOOT引腳的電壓提升至((V{SW}+V{CC}))。建議使用一個(gè)高質(zhì)量的0.47 - μF、6.3 V或更高電壓的陶瓷電容作為(C{BOOT})。(V_{BOOTUVLO})閾值用于確保HS開(kāi)關(guān)的正常運(yùn)行，如果(C{BOOT})的電壓低于該閾值，設(shè)備將在開(kāi)啟HS開(kāi)關(guān)之前使用LS開(kāi)關(guān)啟動(dòng)充電序列。

12. 功率良好和過(guò)壓保護(hù)

TPS7H4010-SEP具有內(nèi)置的功率良好（PGOOD）標(biāo)志，用于指示輸出電壓是否處于合適的水平。PGOOD引腳是一個(gè)開(kāi)漏輸出，需要通過(guò)一個(gè)上拉電阻連接到一個(gè)合適的邏輯電壓。當(dāng)FB電壓高于(V{PGOOD - OV})或低于(V{PGOOD - UV})閾值時(shí)，PGOOD內(nèi)部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，PGOOD引腳電壓被拉低；當(dāng)FB電壓在范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD開(kāi)關(guān)關(guān)閉，引腳被上拉至連接的電壓。該功能還具有約140 μs的消抖定時(shí)器，以防止誤觸發(fā)。

13. 過(guò)流和短路保護(hù)

該轉(zhuǎn)換器通過(guò)對(duì)HS和LS MOSFET的逐周期電流限制來(lái)保護(hù)設(shè)備免受過(guò)載影響。當(dāng)HS電流超過(guò)峰值電流限制(I{HS - LIMIT})時(shí)，HS開(kāi)關(guān)關(guān)閉；當(dāng)LS電流高于LS電流限制(I{LS - LIMIT})時(shí)，LS開(kāi)關(guān)在電流降低到限制以下之前不會(huì)關(guān)閉。在極端過(guò)載條件下，包括短路情況，設(shè)備采用打嗝電流保護(hù)模式。當(dāng)輸出電壓下降到調(diào)節(jié)電壓的40%（典型值）以下并持續(xù)128個(gè)連續(xù)開(kāi)關(guān)周期時(shí)，打嗝保護(hù)啟動(dòng)，設(shè)備關(guān)閉輸出電壓調(diào)節(jié)，并在46 ms的重試延遲時(shí)間后重新嘗試軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)期間，打嗝保護(hù)功能禁用。

14. 熱關(guān)斷保護(hù)

熱關(guān)斷保護(hù)功能可以防止設(shè)備在極端結(jié)溫下?lián)p壞。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)160°C（典型值）時(shí)，設(shè)備關(guān)閉；當(dāng)結(jié)溫下降到約135°C時(shí)，設(shè)備重新啟動(dòng)。

四、設(shè)計(jì)與應(yīng)用指南

1. 設(shè)計(jì)流程

在設(shè)計(jì)使用TPS7H4010-SEP的電路時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的組件值。首先，確定輸出電壓的設(shè)定點(diǎn)，通過(guò)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。然后，選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率，可以使用默認(rèn)的500 kHz，也可以通過(guò)連接一個(gè)電阻到RT引腳來(lái)調(diào)節(jié)頻率。接下來(lái)，選擇輸入電容、電感、輸出電容等組件，這些組件的選擇需要考慮到功率轉(zhuǎn)換需求和控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

2. 組件選擇

• 輸入電容：建議使用高頻陶瓷輸入去耦電容，根據(jù)應(yīng)用需求可以添加一個(gè)大容量輸入電容。通常推薦使用一個(gè)小的0.1 - μF至1 - μF電容和一個(gè)大的10 - μF至22 - μF電容，并且選擇電壓額定值大于最大輸入電壓的X5R或X7R陶瓷電容。
• 電感：選擇電感時(shí)，首先要考慮電感值，一般選擇能使電感紋波電流為最大輸出電流的10%至30%的電感值。同時(shí)，還要考慮電感的飽和電流額定值，建議選擇飽和電流高于(I_{LIMIT - HS})的軟飽和電感。如果應(yīng)用對(duì)EMI有要求，建議選擇屏蔽電感。
• 輸出電容：輸出電容用于過(guò)濾電感電流，并在瞬態(tài)期間提供負(fù)載電流。建議使用陶瓷電容或陶瓷與其他類型電容的組合?？梢愿鶕?jù)輸入和輸出要求，使用相應(yīng)的公式計(jì)算最小輸出電容和最大ESR。
• 其他組件：還需要選擇合適的自舉電容、VCC電容、BIAS電阻和電容、軟啟動(dòng)電容等組件，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

3. 布局指南

PCB布局對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)最佳的功率轉(zhuǎn)換性能、EMI性能和熱性能，需要遵循以下布局指南：

• 高頻旁路電容應(yīng)盡可能靠近PVIN和PGND引腳，小值陶瓷電容應(yīng)最靠近引腳，以減少EMI。
• 高電流路徑應(yīng)使用短而寬的走線或局部IC層平面，以降低寄生電阻和電感，減少功率損耗和噪聲，并有助于散熱。
• 脈沖電流路徑應(yīng)盡可能限制在器件層，以防止開(kāi)關(guān)噪聲污染其他層。
• 自舉電容(C_{BOOT})應(yīng)靠近引腳，并使用短走線連接到SW引腳。
• 使用一個(gè)實(shí)心接地平面作為噪聲屏蔽和散熱路徑，位于器件正下方的層。
• VCC旁路電容應(yīng)靠近VCC引腳，并通過(guò)一個(gè)過(guò)孔將電容的接地焊盤(pán)連接到接地平面。
• 盡量減少到FB引腳的走線長(zhǎng)度，反饋電阻應(yīng)靠近FB引腳，并將(R_{FBB})的接地側(cè)通過(guò)一個(gè)過(guò)孔連接到接地平面。
• 如果負(fù)載處的輸出電壓精度很重要，應(yīng)確保輸出電壓感測(cè)點(diǎn)靠近負(fù)載，并通過(guò)遠(yuǎn)離噪聲節(jié)點(diǎn)的路徑將輸出電壓感測(cè)信號(hào)路由到(R_{FBT})。
• 提供足夠的散熱措施，使用散熱過(guò)孔將裸露焊盤(pán)連接到接地平面和底部PCB層，并將DAP和NC引腳連接到GND網(wǎng)絡(luò)，以優(yōu)化散熱效果。

五、總結(jié)

TPS7H4010-SEP輻射加固型同步降壓電壓轉(zhuǎn)換器憑借其卓越的性能和豐富的功能，為太空應(yīng)用提供了可靠的電源解決方案。其輻射加固能力、寬電壓轉(zhuǎn)換范圍、可調(diào)節(jié)頻率、豐富的保護(hù)功能以及易于使用的特點(diǎn)，使其成為太空衛(wèi)星等設(shè)備中負(fù)載點(diǎn)電源的理想選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇組件和優(yōu)化PCB布局是確保設(shè)備性能和可靠性的關(guān)鍵。電子工程師們?cè)诿鎸?duì)太空應(yīng)用的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)，可以充分利用TPS7H4010-SEP的優(yōu)勢(shì)，打造出高性能、高可靠性的電源系統(tǒng)。大家在使用這款轉(zhuǎn)換器的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么特別的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。