基于TPS40057的BUCK變換器

摘要：TPS40057屬于TI的TPS4005x系列，是一種高壓、寬輸入范圍的同步整流型降壓轉換器，它為用戶提供了多種可設計功能，廣泛應用于模塊電源和工業控制等領域。本文主要介紹了芯片的頻率調節、軟啟動、電壓前饋、主功率管電流限制和環路補償等功能，并設計了基于TPS40057的同步BUCK變換器，通過matlab-simulink閉環仿真以及實驗驗證了設計的正確性。

TPS40057為用戶提供了多種可設計功能，包括軟啟動、欠壓鎖定、頻率調節、電壓前饋、主功率管電流限制和環路補償等。它運用了電壓前饋控制技術使其在整個寬輸入電壓范圍內擁有很好的線性調整率，從而使系統快速響應輸入電壓的瞬態變化。調整器增益基本為常數，不隨輸入電壓的變化而改變，大大簡化了環路補償設計。外部可編程電流門限可提供逐脈沖限流，芯片還帶有利用內置計數器控制的打嗝模式，持續長時間過載狀態時可以有效保護電路。諸多優點使其在功率模塊，網絡通信，工業以及服務器等多種領域得到應用。

1 芯片管腳功能介紹

TPS4005X的主要特點可概括為：8～40 V寬輸入范圍;輸入電壓前饋補償;內部7 V基準電壓可1%微調;固定頻率可設計至1 MHz的電壓環控制器;內置主功率管及同步整流管的柵極驅動;外同步功能;過溫保護;可編程主功率管電流門限;用戶可設計閉環軟啟動;帶有輸出預偏置的電流源和電流宿(current sink)。芯片詳細內部框圖在參考文獻中給出，在此主要介紹各引腳：

BOOST：高側N溝道MOSFET的柵極驅動電壓。BOOST的電壓比SW腳的電壓高9 V。須在本管腳與同步整流MOSFET的漏極之間加-0.1μF的陶瓷電容。

BP5：5 V參考電壓。此管腳必須使用-0. 1 μF的陶瓷電容旁路到地。也可為外部直流負載提供小于等于1 mA的電流。

BP10：10 V參考電壓，用于驅動N溝道同步整流管。須加-1 μF的陶瓷電容旁路?？蔀橥獠恐绷髫撦d提供小于等于1mA的電流。

COMP：誤差放大器的輸出，PWM比較器的輸入。反饋網絡便是接在本管腳和VFB管腳間提供整體回路的補償。COMP管腳具有內部箝位功能，將電壓箝至高于三角波的峰值，這可以改善大信號暫態響應。

HDRV：用來驅動主功率管。MOSFET導通時，本管腳電壓為BOOST腳電壓，MOSFET截止時，為SW腳電壓。

ILIM：限流管腳，用于設置過流保護閥值。

KFF：用于決定電壓前饋量的大小和欠壓鎖定門限。反饋進入本管腳的電流經過內部分流，并用于控制PWM三角波的斜率。

LDRV：N溝道同步整流管的柵極驅動電壓。MOSFET導通時，本管腳為BP10腳電壓，MOSFET截止時，電壓為地。

PGND：芯片電源地參考電位。本管腳與低側MOSFET源極間的路徑必須呈低阻抗。

RT：設定內部振蕩器的頻率以及切換頻率。

SGND：芯片信號地參考電位。

SS/SD：軟啟動管腳。

SW：本管腳連接到變換器的切換節點(即主管與同步整流管連接點)并用于檢測過流。

SYNC：外同步信號輸入管腳。用于將振蕩器與外部主頻率進行同步。

VFB：誤差放大器的反相輸入端。在正常操作時，其電壓應等于內部參考電壓，即0.7 V。

VIN：芯片供電引腳。

2 TPS40057參數設計

開關電源的整體拓撲主要分為核心電路、輔助電路、保護電路3部分。核心電路是指實現反饋控制，生成PWM控制信號的電路，包括振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、輸出單元。輸出的PWM信號的形成還受到輔助電路的影響，主要包括軟啟動和振蕩器的時鐘信號。保護電路包括欠壓保護、過流保護、過溫保護以及關斷單元等。

2.1 性能指標

輸入電壓：9 V

輸出電壓：5 V±2%

輸出電流：2A(穩態最大輸出)

輸出電壓紋波：50 mVPP(帶寬20 MHz)

負載動態響應：小于等于200 mV(空載突變至滿載或滿載突變至空載)

動態恢復時間：200 μs

開關頻率：300 kHz

2.2 振蕩器

TPS40057擁有獨立的時鐘振蕩器和三角波生成電路，時鐘振蕩器作為三角波生成電路的主時鐘。開關頻率fSW通過2腳對地接電阻RT實現，RT可由下式計算得到：

若芯片無需外同步，則SYNC腳直接拉低即可。本設計中外部時鐘信號通過SYNC端接入信號fSYNC的下降沿來同步芯片時鐘信號，外同步頻率應當高于fSW的20%左右。

三角波發生器的三角波上升斜率隨輸入電壓線性變化，為PWM比較器提供電壓前饋控制，對線性變化做出良好的響應，因此PWM能根據輸入電壓變化直接改變三角波上升率，從而改變占空比，而不必等到輸出電壓經環路反饋后再變，減少整個響應延遲時間。PWM三角波每個波頭的持續時間由上拉到VIN的電阻RKEF實現，RKEF值可由以下公式得出：

RKEF=(VIN(MIN)-VKEF)x(58.14xRT(dummy+1 340)Ω (2)

當fSYNC為300 kHz時，fSW取250 kHz，則RT=實際取200 kΩ。若外同步信號脈沖打斷了三角波，會引起欠壓保護生效，導致PWM輸出被關閉。為了正確計算外同步頻率下RKEF，這里引入一個假設的值RT(dummy)，RT(dummy)取170 kΩ，RKEF取值60.5 kΩ。

2.3 軟啟動

TPS40057利用閉環軟啟動功能確保輸出電壓在啟動過程中的上升率可控。軟啟動引腳SS/SD與地之間須接電容CSS/SD用于設置軟啟動時間。內部2.3 μA的電流源對CSS/SD充電，在軟啟動引腳形成逐漸上升的電壓VSS/SD，當VSS/SD小于125 mV時，芯片控制器定義為關機狀態，所有的內部電路都被禁止使能;當VSS/SD大于210 mV時，芯片內部電路開始工作;當VSS/SD大于210 mV小于0.85 V時，內部電路被使能，但輸出電壓仍會下降;當VSS/SD大于0.85 V時，芯片輸出驅動，輸出電壓開始上升;當VSS/SD升高至1.55 V時，芯片輸出電壓繼續上升到達穩態。VSS/SD減去0.85 V后即為有效軟啟動參考電壓VSSRMP，誤差放大器的同相輸入端接VSSRMP，另一同相輸入端接0.7 V參考電壓VFR，VSSRMP與VFB中較低者作為用于調節VFB的主導電壓，為系統提供精確的閉環軟啟動參考。為了合理控制輸出電壓的上升趨勢，軟啟動時間tSTART必須遠大于輸出濾波電感L和濾波電容C0的時間常數：tSTART>>2πx

。這里tSTART取1.5 ms。軟啟動電容值可由以下公式得出：

其中ISS/SD為軟啟動充電電流，一般為2.35 μA，則CSS/SD選取4.7 nF。

2.4 過流保護

電流保護引腳ILIM用于設置過流保護閥值，通常接一電阻RILIM到VCC，內置對地電流宿在RILIM上產生一定的壓降，此壓降與主開關管開通時的漏源極壓降做比較，后級誤差計數器對過流情況進行響應。TPS40057具有雙重過流保護功能，第一重保護力逐脈沖保護方案，通過檢測主開關管導通時漏源極壓差來限制主管上電流。如果主管漏源極壓差超過RILIM兩端電壓差，功率管驅動立刻被關閉，直到下一個開關周期到來前都無驅動輸出。第二重保護包含一個基于脈沖的誤差計數器，過流時計數器加一，不過流時減一，計數器計數值達到7時，芯片進行重啟，同時經歷7個軟啟動周期對其進行初始化。此間主開關管和同步整流管都關斷。每經歷一個軟啟動周期計數器就減一，當減至0時，PWM比較器重新被使能，輸出電壓正常開啟。如果計數器仍然數到7個過流脈沖，芯片又進入第二重保護模式。限流點ILIM可由下式得到

其中，ISINK為電流宿電流，最小為8.5μA，IOC為過流點，通常為輸出電流與二分之一電感電流峰值之和。VOS為過流比較器偏置電壓，最大為-20 mV。本設計中，ILIM加上二分之一電感電流峰值，并增加30%的容差，即為預期的過流保護點IOC(4.7 A)?？紤]到MOSFET的發熱，RDS(on)也取增加30%的容差，即0.017 Ω。因此RILIM取值14 kΩ。

2.5 補償網絡

電壓模式控制的BUCK變換器通常采用Ⅲ型雙極點-雙零點補償網絡，如圖1所示，這種補償網絡的兩個零點可以補償由輸出濾波電路產生的極點引起的相位滯后;兩個極點用來抵消輸出電容ESR引起的零點，第二極點用來保證開環傳遞函數有一個較好的相位裕量和增益裕量，同時在高頻段幅頻特性的下降斜率為-40 db/dec，對高頻干擾有良好的抑制作用。補償網絡的零極點與RC參數的關系為：

這里取R1=10 kΩ，R2=2 kΩ，R3=510 Ω，C1=330μF，C2=22 nF，C3=4.7 nF，RBIAS=1.5 kΩ。根據各參數不難得到系統的開環和閉環傳遞函數，運用matlab-simulink對系統進行仿真，得到開環和閉環系統波特圖，如圖2所示。圖3和圖4分別為系統開環和閉環的階躍響應曲線，可見閉環后系統穩定時間和超調量顯著減小。

3 實驗結果

對BUCK變換器進行實驗驗證，圖5為輸出電壓建立過程，可以看出軟啟動時間控制在1.5 ms。圖6為負載在滿載2 A和空載狀態切換時，輸出電壓紋波的動態響應，可見輸出電壓穩定時，紋波峰峰值為50 mV，負載突變時，輸出電壓變化量在150～200 mV范圍內。圖7和圖8分別為負載突卸和突加瞬間的動態響應波形，可見輸出電壓動態恢復時間為200μs，符合預期性能指標。

4 結束語

文中主要對TPS40057的功能進行詳細說明，并給出了芯片外圍電路主要參數的設計方法，著重對補償環路的參數進行了仿真，最后搭建了基于TPS40057的BUCK變換器并進行穩測試，從實際應用的角度驗證了芯片功能和設計的可行性。