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TPS5430学习记录(一)手册理解

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器件选择

外围电路方案不同,元件选型方式也不同
这里以下面的方案为例
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输入去耦电容 C 1 C_1 C1与输入库电容 C B U L K C_{BULK} CBULK

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输入库电容 C B U L K C_{BULK} CBULK本身没有太多要求,选一个容值大的电解电容就行,
放在离电源输入近的地方。
C B U L K C_{BULK} CBULK的参数会对后面 输入去耦电容 C 1 C_1 C1 的选择有影响
首先 C B U L K C_{BULK} CBULK会影响输入电压纹波
Δ V = I O U T ( M A X ) × 0.25 C B U L K × f s w + ( I O U T ( M A X ) × E S R M A X ) \Delta V = \frac{I_{OUT(MAX)} \times 0.25}{C_{BULK} \times f_{sw}} + (I_{OUT(MAX)} \times ESR_{MAX}) ΔV=CBULK×fswIOUT(MAX)×0.25+(IOUT(MAX)×ESRMAX)
其中:
I O U T ( M A X ) I_{OUT(MAX)} IOUT(MAX) 是预计最大负载电流,由设计者自己决定(看你后面最大想挂多大负载),
不能超过芯片极限, 手册里一般取3A
f s w f_{sw} fsw 是开关频率,固定为500kHz
E S R M A X ESR_{MAX} ESRMAX 是输入库电容的最大串联电阻(寄生电阻)

还有另外一个参数影响 C 1 C_1 C1的选择,那就是RMS纹波电流 I C I N I_{CIN} ICIN
I C I N = I O U T ( M A X ) 2 I_{CIN} = \frac{I_{OUT(MAX)}}{2} ICIN=2IOUT(MAX)

所选的 C 1 C_1 C1容值 没有太多要求,一般为 10 μ F 10 \mu F 10μF
但需要耐压大于 V I N + Δ V 2 V_{IN} + \frac{\Delta V}{2} VIN+2ΔV纹波电流容量大于 I C I N I_{CIN} ICIN

电容的纹波电流容量:
电容"通交隔直",纹波电流会流进电容,
经过寄生电阻引起发热,过热会让电容烧毁。
纹波电流容量,本质就是 最大允许通过的交流电流值

输出电感 L O U T L_{OUT} LOUT

限制电感选择的主要有两个方面,一个是最小电感值,一个是电流耐受能力。

1.最小电感值
L M I N = V O U T × ( V I N − V O U T ) V I N ( M A X ) × K I N D × I O U T ( M A X ) × f s w L_{MIN} = \frac{V_{OUT} \times (V_{IN} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times K_{IND} \times I_{OUT(MAX)} \times f_{sw}} LMIN=VIN(MAX)×KIND×IOUT(MAX)×fswVOUT×(VINVOUT)
其中:
V I N ( M A X ) V_{IN(MAX)} VIN(MAX) 预计所能承受的最大输入电压
V O U T V_{OUT} VOUT 电源的输出电压
K I N D K_{IND} KIND 是一个系数,在0.2到0.3之间取值效果较好,具体值还是设计者自己定

2.然后再说电流耐受能力,这里也分两个方面:
RMS电流 I r m s I_{rms} Irms和饱和电流 I s a t I_{sat} Isat

先来解释一下这两个词

I L ( r m s ) I_{L(rms)} IL(rms)(额定RMS电流) 也称为温升电流,
即表面达到一定温度时所对应的DC电流。
一般认为是电感自我温升温度不超过40度时的电流

I L ( s a t ) I_{L(sat)} IL(sat)(饱和电流) 是以电感值的下降程度为指标的额定电流。
一般取电感值下降到20%的电流为 I s a t I_{sat} Isat

RMS电流公式:
I L ( r m s ) = I O U T ( M A X ) 2 + 1 2 × ( V O U T × ( V I N ( M A X ) − V O U T ) V I N ( M A X ) × L O U T × f s w × 0.8 ) 2 I_{L(rms)} = \sqrt{ I^2_{OUT(MAX)} + \frac{1}{2} \times \Big( \frac{V_{OUT} \times (V_{IN(MAX)} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times L_{OUT} \times f_{sw} \times 0.8} \Big)^2 } IL(rms)=IOUT(MAX)2+21×(VIN(MAX)×LOUT×fsw×0.8VOUT×(VIN(MAX)VOUT))2

峰值电流公式:
I L ( P K ) = I O U T ( M A X ) + V O U T × ( V I N ( M A X ) − V O U T ) V I N ( M A X ) × L O U T × f s w × 1.6 I_{L(PK)} = I_{OUT(MAX)} + \frac{V_{OUT} \times (V_{IN(MAX)} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times L_{OUT} \times f_{sw} \times 1.6} IL(PK)=IOUT(MAX)+VIN(MAX)×LOUT×fsw×1.6VOUT×(VIN(MAX)VOUT)

选电感的时候,要保证电感的额定RMS电流大于电路的RMS电流,电感的饱和电流大于电路的峰值电流

输出电容 C O U T C_{OUT} COUT( C 3 C_3 C3)

这里的电容是陶瓷电容(电解电容有另外的公式,这里不介绍)
电容的选择也是三个方面考量:最小电容值、耐压值和交流电流耐受能力(额定RMS电流)

1.输出电容最小值公式:
C O U T ( M I N ) = 1 ( 2 π × 7000 ) 2 × L O U T C_{OUT(MIN)} = \frac{1}{(2 \pi \times 7000)^2 \times L_{OUT}} COUT(MIN)=(2π×7000)2×LOUT1
目的是为了让 输出电容 和 输出电感 组成的 滤波电路 的 谐振频率小于7kHz

2.耐压值 的选择需要考虑 电路的输出最大峰值电压(没有公式)

3.流经电容的RMS电流公式:
I C O U T ( R M S ) = 1 12 × V O U T × ( V I N ( M A X ) − V O U T ) V I N ( M A X ) × L O U T × f s w × N C I_{COUT(RMS)} = \frac{1}{\sqrt {12}} \times \frac{V_{OUT} \times (V_{IN(MAX)} - V_{OUT})}{V_{IN(MAX)} \times L_{OUT} \times f_{sw} \times N_C} ICOUT(RMS)=12 1×VIN(MAX)×LOUT×fsw×NCVOUT×(VIN(MAX)VOUT)
其中
N C N_C NC 是并联电容的数量
(如果单一电容的容值难以达到要求的话,可以并联多个电容)

环流二极管

二极管的选择没有太具体的公式,但有三个条件
1.直流反向击穿电压 大于 PH引脚的电压,即 V I N ( M A X ) + 0.5 V V_{IN(MAX)} + 0.5V VIN(MAX)+0.5V,最好留出一定的余量
2.最大整流电流 I F I_F IF(二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流)
必须大于 I L ( P K ) I_{L(PK)} IL(PK)
3.正向导通压降 V F V_F VF 足够小,这个值越小,电路效率越高。不过二极管的在不同导通电流下, V F V_F VF也不同,需要看清手册给出的是在什么条件下的 V F V_F VF
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反馈电路设计

写这篇文章是我对于开关电源的理解还比较浅薄,下面的很多结论有一定问题,我以后有时间会进行修正,不过关于手册公式计算的部分还是准确的

下图中蓝色框围起来的部分就是反馈回路,从电压输出端输入,到引脚VSNS输出。
主要作用是设置电压
(芯片会控制开关占空比来控制输出电压,通过反馈回路来让VSNS引脚的电压维持在1.221V)
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直流通路

通过 R 4 R_4 R4 R 6 R_6 R6的分压,让输出电压到达设置值
V O U T = 1.221 V × ( 1 + R 4 R 6 ) V_{OUT} = 1.221V \times (1+ \frac{R_4}{R_6}) VOUT=1.221V×(1+R6R4)
R 4 R_4 R4一般取 10 k Ω 10k \Omega 10kΩ

交流通路

反馈回路还有一个作用,就是滤除交流干扰,让电源更稳定。
但不能滤的太狠,不然动态响应会很差,同时还要避免形成正反馈,产生自激振荡。

电路设计依据(存疑)

首先来说如何滤除干扰

输出电路的LC滤波器本来就是一个低通滤波,大部分高频干扰都会被滤除,但LC滤波电路在谐振频率,会有"隆起",这是进入反馈电路 的干扰 的主要来源。
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这就需要反馈电路 的阻带要覆盖“隆起”部分

再说一下如何提高动态响应

后级电路所需电流的突然变化,会导致电源输出电压的变化。反馈电路需要将这种变化尽快的传递,让电源调整输出功率,使电压回到设置值。

这需要让较高频的信号能够通过,
(下面这是我推测的,手册里没有提到相关作用)
但太高频的也要滤除,因为开关频率只有 500 k H z 500kHz 500kHz
反馈电路能反应过来,输出电路也反应不过来。

综上,反馈回路需要设计成一个带阻滤波电路

器件选择

带阻滤波器公式:
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设计带阻滤波器,首先要设好滤波网络的 零点(幅频特性曲线向上拐的点) 和 极点(向下拐的点)
f p 1 = 500 k × V O U T f L C f z 2 = 0.7 × f L C f z 3 = 2.3 × f L C \begin{align*} f_{p1} &= 500k \times \frac{V_{OUT}}{f_{LC}} \\f_{z2} &= 0.7 \times f_{LC} \\f_{z3} &= 2.3 \times f_{LC} \end{align*} fp1fz2fz3=500k×fLCVOUT=0.7×fLC=2.3×fLC
其中:
f L C f_{LC} fLC 是LC滤波的谐振频率

然后根据零点和拐点来选择阻容
C 12 = 1 2 π × f p 1 × ( R 4 / / R s 6 ) R 7 = 1 2 π × f z 2 × C 12 C 11 = 1 2 π × f z 3 × R 4 \begin{align*} C_{12} &= \frac{1}{2 \pi \times f_{p1} \times (R_4 // Rs_6)} \\R_7 &= \frac{1}{2 \pi \times f_{z2} \times C_{12}} \\C_{11} &= \frac{1}{2 \pi \times f_{z3} \times R_4} \end{align*} C12R7C11=2π×fp1×(R4//Rs6)1=2π×fz2×C121=2π×fz3×R41

最后还有 C 13 C_{13} C13,不过这个电容不是必须加的,加了可以提高电源的负载调整率。

C 13 C_{13} C13一般为 C 11 C_{11} C11的十分之一。

负载调整率:
(空载电压 - 满载电压) / 满载电压 * 100%
(至于为啥 C 13 C_{13} C13有这个作用,我也不知道,手册里没写,我也没有找到有解释这个的文章)

既然形成负反馈,那就需要防止自激,不过这里不需要考虑(手册里没写,有可能是我没看到。不过这个电路主要关注的是直流,交流信号频率都不高,如果工作基本正常的情况下,感觉很难形成自激)

http://www.xdnf.cn/news/11327.html

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