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TPS6102X 96%高效同步升压变换器

时间:2019-9-19, 来源:互联网, 文章类别:元器件知识库

1特点
96%高效同步升压转换器
当输入电压超过额定输出电压时,输出电压保持稳定
设备静态电流:25微安(典型值)
输入电压范围:0.9 V至6.5 V
固定和可调输出电压选项,最高可达5.5 V
节能模式,在低输出功率下提高效率
低电池比较器
低EMI转换器(集成抗振铃开关)
停机期间断开负载
过热保护
小3-mm×3-mm VSON-10封装
个应用程序
所有单电池、双电池和三电池碱性、镍镉或镍氢,或单电池锂离子或锂聚合物
电池供电产品
便携式音频播放器
PDA
手机
个人医疗产品
摄像头白色LED闪光灯

典型示意图
说明
TPS6102X系列设备为单电池、双电池或三电池碱性电池、镍镉或镍氢电池、单电池锂离子电池或锂聚合物电池供电的产品提供电源解决方案。当使用单电池碱性电池时,输出电流可高达200毫安,并将其放电至0.9伏。该装置还可用于从3.3伏轨道或锂离子电池在500毫安时产生5伏电压。boost变换器是基于一个固定频率,脉冲宽度调制(pwm)控制器使用同步整流器,以获得最大的效率。在低负载电流时,转换器进入省电模式,以在宽负载电流范围内保持高效率。可禁用省电模式,强制转换器以固定的开关频率工作。升压开关中的最大峰值电流限制为800毫安、1500毫安或1800毫安,具体取决于设备的版本。
TPS6102X装置即使在输入电压超过额定输出电压时也能保持输出电压稳定。输出电压可以通过外部电阻分压器编程,也可以在芯片内部固定。可以禁用转换器,以尽量减少电池消耗。在停机期间,负载与蓄电池完全断开。实现了一种低emi模式,以减少振铃,实际上,当转换器进入不连续传导模式时,降低辐射电磁能量。该设备封装在10针VSON PowerPad™封装中,尺寸为3 mm x 3 mm(DRC)。

参数测量信息

参数测量原理图

详细说明
概述
TPS6102X是基于一个固定频率,脉冲宽度调制(PWM)控制器使用同步整流,以获得最大的效率。监控nmos开关上的输入电压、输出电压和电压降,并将其转发给调节器。因此,变换器工作条件的变化直接影响到占空比。在低负载电流下,转换器进入省电模式,以确保在宽负载电流范围内的高效率。可禁用省电模式,强制转换器以固定的开关频率工作。
功能框图

特征描述
控制器电路
该装置的控制器电路基于固定频率的多前馈控制器拓扑结构。监控nmos开关上的输入电压、输出电压和电压降,并将其转发给调节器。因此,变换器工作条件的变化直接影响占空比,不能通过控制回路和误差放大器采取间接和缓慢的方式。由误差放大器决定的控制回路只需处理小信号误差。它的输入是FB引脚上的反馈电压,或者在固定输出电压的情况下,是内部电阻分压器上的电压。通过与内部参考电压的比较,得到了准确稳定的输出电压。
nmos开关的峰值电流也被感测以限制流过开关和电感的最大电流。内部温度传感器防止设备过热,以防过度功耗。
同步整流器
该器件集成了n沟道和p沟道mosfet晶体管,实现了同步整流。由于用低rds(on)pmos开关代替了常用的离散肖特基整流器,功率转换效率达到96%。为了避免由于nmos开关中的高电流而导致接地偏移,使用了两个独立的接地引脚。所有控制功能的参考是GND引脚。nmos开关的源已连接到pgnd。两个接地必须仅在靠近接地引脚的一个点连接到PCB上。在变频器停机期间,使用一个特殊的电路将负载从输入端断开。在传统的同步整流电路中,高边pmos的后门二极管在关断时正向偏置,允许电流从电池流向输出。然而,该装置使用一个特殊的电路,该电路接收高侧pmos的后门二极管的阴极,并在调节器未启用时将其与电源断开(en=低)。
此功能对系统设计工程师的好处是,在关闭转换器期间电池不会耗尽。无需在设计中添加其他部件,以确保蓄电池与转换器输出断开连接。
下调
一般来说,升压变换器只调节高于输入电压的输出电压。这个装置的工作方式不同。例如,它能够在输出端调节3.0V,输入端有两个新的碱性电池,电池总电压为3.2V。另一个例子是从输出电压为4.2V的充满电的锂离子电池为正向电压为3.6V的白色LED供电。为了正确地控制这些应用,实现了下转换模式预计起飞时间。
如果输入电压达到或超过输出电压,转换器将切换到转换模式。在这种模式下,控制电路改变了整流pmos的行为。它将PMO上的电压降设置为调节输出电压所需的高值。这意味着转换器中的功率损耗增加。这必须考虑到热因素。只要输入电压降到输出电压以下约50毫伏,下变频模式就会自动关闭。为了在下变频模式下正常工作,输出电压不应编程为低于可施加的最大输入电压的50%。
设备启用
当en设置为高时,设备投入运行。当en设置为gnd时,它将进入关机模式。在关机模式下,调节器停止切换,包括低电池比较器在内的所有内部控制电路关闭,负载与输入隔离(如同步整流器部分所述)。这也意味着在停机期间,输出电压可能低于输入电压。在转换器的启动过程中,占空比和峰值电流受到限制,以避免从电池中吸取高峰值电流。
特征描述(续)
欠压闭锁
如果VBAT上的电源电压低于约0.8 V,则欠压锁定功能可防止设备启动。在运行和电池放电时,如果VBAT上的电压低于约0.8 V,则设备自动进入关机模式。此欠压锁定功能的实现是为了预排除转换器的故障。

0.3.6软启动和短路保护
当设备启动时,内部启动循环从第一步即预充电阶段开始。在预充电期间,整流开关打开,直到输出电容器充电到接近输入电压的值。整流开关在该阶段受到电流限制。电流极限随输出电压的增大而增大。该电路还限制在输出短路条件下的输出电流。图12显示了特定输入电压的典型预充电电流与输出电压:
预充电和短路电流
将输出电容器充电到输入电压后,设备开始切换。如果输入电压低于1.4V,则设备以50%的固定占空比工作,直到输出电压达到1.4V。然后根据输入输出电压比设置占空比。在输出电压达到其标称值之前,升压开关的电流限制设置为其标称值的40%,以避免在启动过程中电池出现高峰值电流。一旦达到输出电压,调节器就开始控制,开关电流限制被设置回100%。
低电池检测电路LBI/LBO
低电池检测电路通常用于监测电池电压,并在电池电压降至用户设置的阈值电压以下时生成错误标志。此功能仅在设备启用时才激活。当设备被禁用时,lbo引脚是高阻抗的。lbi时的开关阈值为500毫伏。在正常运行期间,当在lbi处施加的电压高于阈值时,lbo保持在高阻抗。当LBI的电压低于500 mV时,它处于低激活状态。
检测电路切换时的电池电压,可通过连接到LBI引脚的电阻分压器进行编程。电阻分压器将电池电压降低至500 mV的电压水平,然后将其与lbi阈值电压进行比较。LBI引脚具有10 mV的内置滞后。有关lbi阈值编程的更多详细信息,请参阅应用程序部分。如果不使用低电量检测电路,则LBI引脚应连接到GND(或VBAT),而LBO引脚可以保持未连接状态。不要让LBI销浮动。
低EMI开关
该装置集成了一个电路,当转换器进入不连续电流模式时,消除通常出现在sw节点上的振铃。在这种情况下,通过电感器的电流变为零,并且整流pmos开关被关闭,以防止反向电流从输出电容流回电池。由于储存在半导体和电感器的寄生元件中的剩余能量,sw管脚上会产生振铃。集成防振开关将此电压钳制到VBAT,从而抑制振铃。
设备功能模式
欠压闭锁
如果VBAT上的电源电压低于约0.8 V,则欠压锁定功能可防止设备启动。在运行和电池放电时,如果VBAT上的电压低于约0.8 V,则设备自动进入关机模式。此欠压锁定功能的实现是为了预排除转换器的故障。
节电模式
PS引脚可用于选择不同的操作模式。要启用节能,必须将ps设置为低。为了提高轻载时的效率,采用了节电方式。在省电模式下,只有当输出电压跳到设定的阈值电压以下时,转换器才会工作。它用一个或多个脉冲增加输出电压,一旦输出电压超过设定的阈值电压,就再次进入省电模式。通过将ps设置为vbat,可以禁用此省电模式。在下变频模式下,省电模式始终处于激活状态,设备不能在轻负载下强制进行固定频率操作。
编程
输出电压编程
TPS61020型DC-DC变换器的输出电压可通过外部电阻分压器进行调节。FB引脚的典型电压值为500 mV。输出电压的最大建议值为5.5 V。通过电阻分压器的电流应比进入FB引脚的电流大100倍左右。FB引脚的典型电流为0.01微安,R4上的电压通常为500毫伏。基于这两个值,r4的建议值应低于500 kΩ,以便将分压器电流设置为1微安或更高。由于内部补偿电路,该电阻器的值应在200 kΩ的范围内。由此,电阻r3的值,取决于所需的输出电压(vo),可使用方程式1计算:

例如,如果需要3.3 V的输出电压,则R3应选择1.0 MΩ电阻器。如果出于任何原因,选择的R4值明显低于200 kΩ,建议与R3并联的附加电容,以防设备显示输出电压调节不稳定。所需电容值可使用公式2轻松计算:

编程LBI/LBO阈值电压
通过电阻分压器的电流应该比进入lbi引脚的电流大100倍左右。进入lbi引脚的典型电流为0.01微安,穿过r2的电压等于芯片上产生的lbi电压阈值,该阈值的值为500毫伏。因此,R2的建议值在500 kΩ的范围内。由此,电阻r1的值,取决于所需的最小电池电压vbat,可使用方程式3计算。

编程(续)
低电量电池管理器的输出是一个简单的开漏输出,如果专用电池电压低于LBI上的编程阈值电压,则该输出将变为低激活状态。输出需要一个推荐值为1 MΩ的上拉电阻器。如果不使用,LBO引脚可以保持浮动或绑定到GND。
应用与实现

申请信息
这些设备设计为在0.9 V(车辆识别号上升uvlo为1.2 V)和6.5 V之间的输入电压供电范围内工作,最大开关电流限制为1.8 A。这些设备在中到重负载条件下以脉宽调制模式工作,在轻负载电流下以省电模式工作。在脉宽调制模式下,TPS6102X转换器通常以600 kHz的标称开关频率工作。随着负载电流的减小,变换器进入节电模式,降低开关频率,减小ic静态电流,在整个负载电流范围内实现高效率。当将PS引脚连接到逻辑高电平时,可禁用省电模式,迫使转换器以固定的开关频率工作。
典型应用
显示了TPS6102X在1.2-V至6.5-V输入范围和800毫安输出电流下的典型应用。
可调输出电压选择的典型应用电路
设计要求
TPS6102X DC-DC转换器适用于由典型终端电压介于0.9 V和6.5 V之间的单电池至三电池碱性、镍镉、镍氢电池供电的系统。它们也可用于由典型电压介于2.5 V和4.2 V之间的单电池锂离子或锂聚合物供电的系统。此外,任何其他电压源都具有pical输出电压介于0.9 V和6.5 V之间,可为使用TPS6102X的系统供电。
详细设计程序
感应器选择
升压变换器通常需要两个主要的无源元件来储存能量。在输出端需要一个升压电感和一个存储电容。要选择升压电感,建议在所选配置中,使可能的电感峰值电流低于电源开关的电流限制阈值。例如,在5v的输出电压下,tps61029开关的电流极限阈值为1800ma。通过电感器和开关的最大峰值电流取决于输出负载、输入(vbat)和输出电压(vout)。最大平均电感电流的估算可使用方程式4
典型应用(续)

例如,对于3.3v时200毫安的输出电流,至少920毫安的平均电流以0.9v的最小输入电压流过电感器。
选择电感器的第二个参数是电感器中所需的电流纹波。通常情况下,建议工作纹波小于平均电感电流的20%。较小的纹波降低了电感的磁滞损耗,以及输出电压纹波和电磁干扰。但同样地,负荷变化时的调节时间也会增加。此外,较大的电感会增加系统总成本。有了这些参数,就可以使用方程式5计算电感器的值参数f是开关频率,Δil是电感中的纹波电流,即20%×il。在该示例中,所需电感器的值为5.5μh。利用该计算值和计算电流,可以选择合适的电感器。在典型应用中,建议使用6.8μh电感。该器件已被优化为在电感值介于2.2μh和22μh之间的情况下工作。然而,在某些应用中,可以在电感值较高的情况下工作。建议进行详细的稳定性分析。必须注意的是,电路中的负载瞬变和损耗可能导致方程5中估计的更高电流。此外,磁滞损耗和铜损耗引起的电感损耗也是影响电路总效率的主要参数。

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