TPS6204x 1.2A/1.25MHz高效步降转换器

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TPS6204x 1.2A/1.25MHz高效步降转换器

强烈建议:如果你不是很注重开关电源芯片本身的效率,那么最好使用强制PWM模式
(MODE脚接高电平),因为节电模式的输出纹波及干扰的确比较大,有时会造成系统启动不起来,或易系统受干扰死机

特点：


l  高达95%的转换效率
l  静态电流：18uA
l  负载电流1.2A
l  输入电压：2.5V到6.0V
l  开关频率1.25MHz
l  可调整输出电压和固定输出电压两个版本
l  轻负载时的电源节电模式
l  100%占空周期，达到最小电压降
l  内部软启动
l  动态输出电压位置
l  过热保护
l  短路保护

典型应用：

图1 固定电压版本

图2 可调电压版本

图3 原理框图

管脚名称	I/O	描述
EN 1	I	使能：接地，芯片进入Shutdown模式；接Vi，芯片正常工作，EN不应该悬空，一定要接到一个确定的状态
VIN 2,3	I	电源输入
GND 4		模拟地
FB 5	I	反馈输入：对固定电压输出版本芯片，直接连接到LC滤波电路的输出。对于可调电压版本的芯片，这个脚在内部直接连接到Gm放大器的负相输入端，为了获得一个期望的输出电压，需要一个外部分压电阻网路。
MODE 6	I	模式选择：接高电平，芯片总是工作于固定频率的PWM模式；接地，在高负载时工作于固定频率的PWM模式，而在轻负载时，工作于PFM（相位频率调制）模式，这样，开关频率降低，自身功耗降低，从而提高效率。
SW 7,8	I/O	内部功率MOSFETs管的输出，外接LC滤波电路，以便形成稳定的电压输出
PGND 9,10		电源地

功能描述：



操作


TPS6204x是同步步降转换器，开关频率1.25MHz，在正常负载到重负载电流时，器件以PWM方式运行，在轻负载时，以PFM方式运行，当运行于PWM模式的时候，典型的开关频率是1.25MHz，最低开关频率是1MHz。
在PWM期间，转换器使用独特的快速响应电压模式控制器方案：带输入电压前馈，一获得更好的线性和负载调整率，允许使用小的瓷片输入和输出电容，在每个时钟周期的开始P通道MOSFET开关管导通，电感电流斜线上升直到比较器翻转，控制逻辑使得P通道MOSFET截止。当超过电流限制时，电流限制比较器也会关闭这个开关管。过了防止电流短路的死区时间之后，N通道MOSFET续流管导通，电感电流斜线下降，下个时钟周期，N通道续流管又关闭，P通道开关管再次导通。
Gm放大器与输入电压一起确定锯齿波发生器的上升时间，因此，输入电压或者输出电压的任何改变，直接控制转换器的占空比，从而获得非常好的线性及负载变化调整率。

节电模式操作


随着负载电流的降低，转换器进入节电模式，在节电模式期间，转换器以比较低的开关频率运行在PFM模式，并具有最小的静态电流，维持一个很高的效率。
转换器监视电感的平均电流，当电感平均电流降低到一个阈值以下的时候，进入节电模式，在PWM和节电模式的转换点由下面的等式给出：
Itransition = Vi/18.66欧
在节电器件，比较器通过两个阈值（comp low 和comp high）来监视输出电压，comp low是正常电压以上的0.8%，comp high是正常电压以上1.6%。如图14所示，当输出电压在comp low以下，P通道开关管ON，并保持ON状态，直到电流达到Itransition才OFF。然后，N通道开关管ON，这样完成第一个周期，转换器以通常的占空周期（由输入和输出电压确定）继续切换，但是开关频率是625KHz。这样输出电压上升，只要输出电压达到comp high，转换器停止开关切换，取决于负载电流，转换器开关更长周期或更短周期，为了分配能量给输出。如果负载电流增加，输出电压不能维持在Itransition电流以内，转换器进入PWM模式，见图11和图12。
                                                                                               

图11 PWM模式

图12 节电模式

图14节电模式阈值和动态电压位置

动态电压位置


如图14所示，输出电压高于额定输出电压0.8%时为轻负载电流，此时芯片处于节电模式，这就给从轻负载到全负载过渡期间提供了电压下降的许可空间。相反，在从全负载到轻负载转换期间，通过使N通道开关管导通，以便有效降低输出电压，使得电压超调也减少到最小。

模式（自动PWM/PFM操作和强制PWM操作）


MODE脚接地时，使能自动PWM模式和节电模式操作。在重负载时，转换器以PWM方式操作，开关频率固定；在轻负载时，以PFM方式操作，以获得一个很高的效率，但缺点是输出电压的纹波比较大。
MODE脚接高时，转换器总是以PWM方式操作，这种方式的优点是，纹波小。但在轻负载的时候，效率低。

100%占空比周期低压差操作


TPS6204x能达到100%的占空比，以提供一个极低的输出输入电压差，同时维持电压的调整能力，此时P通道的开关管总是导通的，这在电池供电的时候特别有用。为维持电压调整能力的最小输入电压取决于负载电流和输出电压。如下面的公式：
VImin = VOmax + IOmax X （rDS(on)max + RL）
IOmax = 最大输出电流+电感的电流纹波
rDS(on) max = 最大P通道开关tDS(on)
RL = 电感的直流电阻
VOmax = 额定的输出电压+ 最大输出电压容忍度

软启动


芯片内部有软启动电路，以限制在启动时的浪涌电流。软启动按照一定的电流增加步长来实现，电流增长的步长典型值为：ILIM/8，ILIM/4，ILIM/2，ILIM是电流限制值，典型为1.85A。启动时间主要取决于输出电容和负载电流。

图13 启动

短路保护


一旦输出电压降低到标称输出电压的50%，转换器的开关频率（随同电流限制，电流限制的典型值是1.85A）会降低到正常值的50%（1.25MHz的一半是625KHz），因为短路电流保护在软启动的时候使能，所以芯片在输出电压达到50%之前，只能提供不会超过正常限定的电流的50%。

过热保护


当芯片温度超过150摄氏度时候，芯片因过热而进入Shutdown模式，当温度降低到150度以下后，芯片会继续工作。

使能


EN脚为低电平的时候，芯片处于关闭（Shutdown）状态，不工作。EN为高的时候，芯片才启动工作。

欠压保护


当输入电压过低的时候，为了防止器件错误操作，芯片会处于关闭状态（Shutdown）。欠压保护的范围：输入电压为1.5V到2.3V之间

应用信息



可调输出电压版本


按照图2，Vo = 0.5V x (1 + R1/R2)
R1+R2要小于1M，0.5V是内部的参考基准电压值。
C1、C2主要是减少反馈回路的噪声。
C1 = 1 / （2 x PI x 10KHz x R1）;  C2 = (R1 x C1) / R2

电感选择


输出电感的典型值是6.2uH，同时要注意电感的直流电阻和饱和电流，直流电阻直接影响转换器的效率，所以直流电阻越小越好。

输出电容选择


应该选用低ESR的陶瓷电容或钽电容。典型值一般为22uF。
注意：在轻负载情况下，输出电压的纹波与输出电容无关，输出电压的纹波取决于内部比较器的阈值，典型的输出电压纹波是标称输出电压的1%。

输入电容选择


输入电容应该选用容量不小于22uF的低ESR陶瓷电容。

PCB布线考虑


PCB的布线必须仔细考虑，否则会引起稳定性和EMI问题。如图16所示，主电流路径必须首先布线，而且线应该尽可能粗而短。输入电容、输出电感、输出电容应该尽可能距离芯片对应脚近。反馈电阻网络布线应当远离电感和开关节点，同时使用地平面和地线来进行屏蔽，以尽可能减少噪声干扰。使用星形地线或地平面，这对1.25MHz的开关频率是非常重要的。

图16 PCB布线

为了利于散热，芯片底部的地焊盘必须良好地接到地平面上，以利于散热。