高精度同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器SLVP182評估模塊設(shè)計與測試

一、引言

在電源設(shè)計領(lǐng)域，高精度的電源供應(yīng)至關(guān)重要。SLVP182同步降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊為我們提供了一個使用TL5002脈寬調(diào)制（PWM）控制器和REF - 1004電壓參考來評估高精度電源性能的參考設(shè)計。它包含了在電壓模式配置下控制開關(guān)模式電源所需的所有電路。那么，這個模塊具體有哪些特點和設(shè)計要點呢？接下來我們一起深入了解。

文件下載：TL5002EVM-182.pdf

二、硬件與規(guī)格

2.1 硬件特點

同步降壓轉(zhuǎn)換器相較于傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，具有更小的尺寸和更高的效率。它通過用功率MOSFET替代換向二極管，減少了標(biāo)準降壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗。典型的0.5V - 1V二極管壓降可降低至0.3V或更低，從而提高了系統(tǒng)效率。SLVP182同步降壓轉(zhuǎn)換器使用TI的TL5002 PWM控制器、REF1004 - 1.2電壓參考和TPS2837 MOSFET驅(qū)動器，能提供1.8V ± 1%的精確輸出電壓，且在3.6V至12V的輸入電壓范圍內(nèi)高效運行。

2.2 操作規(guī)格

三、設(shè)計流程

3.1 占空比估算

對于連續(xù)模式降壓轉(zhuǎn)換器，占空比有一個近似的計算公式。占空比的估算對于后續(xù)的電路設(shè)計非常關(guān)鍵，它直接影響著輸出電壓和電路的性能。

3.2 輸出濾波器設(shè)計

3.2.1 電感值選擇

同步降壓轉(zhuǎn)換器使用單級LC輸出濾波器。為了將峰 - 峰紋波電流限制在最大輸出電流的15%，我們需要選擇合適的電感值。例如，當(dāng)最大輸出電流為7A時，紋波電流(Delta I{O}=2 × 0.15 × I{O}=0.3 × 7 = 2.1A)，根據(jù)相關(guān)公式可以計算出電感值。

3.2.2 電容值選擇

電感紋波電流流經(jīng)輸出電容會產(chǎn)生輸出電壓紋波。假設(shè)所有電感紋波電流都流經(jīng)輸出電容，且有效串聯(lián)電阻（ESR）為零，我們可以計算出所需的最小電容值。同時，為了將紋波限制在輸出電壓的1%，還需要考慮電容的ESR。在實際設(shè)計中，輸出濾波電容的額定值應(yīng)至少為計算值的十倍。本設(shè)計采用了三個180μF的電容（Panasonic EEF - UE0G181R）與多層陶瓷電容并聯(lián)，以降低高頻下的ESR。

3.3 功率開關(guān)設(shè)計

TL5002控制器可以驅(qū)動兩個N溝道功率MOSFET，采用同步整流配置。本設(shè)計選用了International Rectifier的IRF7811A MOSFET，因其具有低(rDS(on))（12mΩ）和28V的漏 - 源擊穿電壓額定值。功率開關(guān)Q1和Q2的功率損耗包括傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，我們可以通過相應(yīng)的公式進行計算。例如，在特定條件下（(V{I}=5V)，(V{O}=1.8V)，(I_{O}=7A)等），計算出Q1的功率損耗為0.57W，Q2的功率損耗為0.79W。同時，還需要考慮器件的熱阻抗，以確保器件在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

3.4 輸出電壓設(shè)計

TL5002控制器可以使用外部參考電壓。本設(shè)計使用REF1004 - 1.2作為外部電壓參考，以維持輸出電壓在1.8V ± 1%。通過公式(V{O}=(1+frac{R13}{R8})V{ref})可以計算出輸出電壓，其中R13和R8的公差應(yīng)不大于0.1%。

3.5 控制器功能設(shè)計

3.5.1 振蕩器頻率

振蕩器頻率通過選擇TL5002數(shù)據(jù)手冊圖8中的電阻值來設(shè)置。對于400kHz的頻率，選擇R6的值為15kΩ。

3.5.2 死區(qū)時間控制

死區(qū)時間控制為每個周期的功率開關(guān)提供最大導(dǎo)通時間。通過在DTC和GND之間連接一個電阻來設(shè)置這個時間。本設(shè)計選擇最大占空比為80%，并計算出R7的值為20kΩ。

3.5.3 軟啟動定時

軟啟動用于減少上電瞬變。通過在死區(qū)時間電阻上添加一個電容來實現(xiàn)。本設(shè)計使用4.4ms的軟啟動時間，計算出C10的值為0.22μF。

3.6 環(huán)路補償設(shè)計

環(huán)路補償對于在全負載和線路條件下穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。本評估轉(zhuǎn)換器設(shè)計為在所有輸入/輸出條件下保持大于60度的相位裕度。通過在誤差放大器周圍添加補償組件來修改整體環(huán)路響應(yīng)，以滿足相位裕度和帶寬的要求。例如，選擇約20kHz的單位增益頻率來提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)。通過一系列的計算和分析，可以確定補償網(wǎng)絡(luò)的組件值，如R1、R2、C1、C2、C3等。

四、測試結(jié)果

4.1 測試設(shè)置

測試需要一個功率能力為15V/13A的電源。通過圖3 - 1所示的輸入/輸出連接對SLVP182進行測試。

4.2 測試結(jié)果分析

通過圖3 - 2至圖3 - 13展示了SLVP182的測試結(jié)果，包括效率圖、線路調(diào)節(jié)、負載調(diào)節(jié)、輸出電壓隨溫度的偏差、全/無負載瞬態(tài)響應(yīng)、啟動時的輸入和輸出電壓以及整體閉環(huán)響應(yīng)等。從這些測試結(jié)果中，我們可以評估SLVP182的性能是否符合設(shè)計要求。例如，通過效率圖可以了解轉(zhuǎn)換器在不同工作條件下的效率情況；通過線路調(diào)節(jié)和負載調(diào)節(jié)的測試結(jié)果，可以評估轉(zhuǎn)換器在輸入電壓和負載變化時的穩(wěn)定性。

五、總結(jié)

SLVP182同步降壓轉(zhuǎn)換器評估模塊為高精度電源設(shè)計提供了一個很好的參考。通過合理的設(shè)計流程，包括占空比估算、輸出濾波器設(shè)計、功率開關(guān)設(shè)計、輸出電壓設(shè)計、控制器功能設(shè)計和環(huán)路補償設(shè)計等，可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源輸出。同時，通過嚴格的測試，可以驗證設(shè)計的性能是否滿足要求。在實際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體的需求對模塊進行進一步的優(yōu)化和改進。你在電源設(shè)計中是否也遇到過類似的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。