TPS6120x 具有 1.3A 开关的低输入电压同步升压转换器
特点
- 下列条件下超过 90% 的效率
-- 在 3.3 伏电压（输入电压为 22.4 伏）下，输出电流为 300 毫安。
-- 在 5 伏电压（输入电压为 2 至 3 伏）下，输出电流为 600 毫安。 - 可自动在升压模式与降压模式之间切换。
- 设备静态电流小于 55 微安
- 在 0.5 伏输入电压下启动并进入满负荷运行状态
- 1.8V 至 5.5V 固定和可调输出电压选项
- 可编程欠压锁定阈值
- 所有工作条件下的输出短路保护
- 1.8V 至 5.5V 固定和可调输出电压选项
- 节能模式， 用于改进低输出功率时的效率
- 可强制固定频率运行
- 关机期间负载断开
- 过温保护
- 小型 3 毫米×3 毫米的 VSON-10 封装件
应用
- 所有单电池、双电池和三电池的碱性电池、镍镉电池、镍氢电池或单节锂电池供电类产品
- 燃料电池和太阳能电池供电类产品
- 便携式音频播放器
- 掌上电脑 (PDA)
- 手机
- 个人医疗产品
- 白光 LED 驱动器
说明
TPS6120x 系列器件为采用单节、双节或三节碱性、镍镉、镍氢或单节锂离子或锂聚合物电池供电的产品提供了电源解决方案。此外，该器件还适用于燃料电池或太阳能电池供电的设备，因为在这些设备中，能够处理低输入电压的能力至关重要。可能的输出电流取决于输入与输出电压的比率。在使用一个单节锂离子或锂聚合物电池并且将其放电至2.6V 时， 此器件在 5V 输出时提供高达 600mA 的输出电流。 该升压转换器基于固定频率的脉冲宽度调制（PWM）控制器，并采用同步整流技术以实现最高效率。在低负载电流情况下，转换器会进入节能模式，从而在较宽的负载电流范围内保持高效率。节能模式可以被禁用，迫使转换器以固定的开关频率运行。平均输入电流被限制在最大值 1500 毫安。输出电压通过外部电阻分压器进行编程，或者在芯片内部固定。转换器可以被禁用以减少电池消耗。在关机状态下，负载与电池完全断开连接。该设备采用 10 引脚 VSON 封装，尺寸为 3 毫米×3 毫米。
典型应用
芯片选型
引脚功能
特性
绝对最大额定值
ESD等级
推荐工作环境
热信息
电气参数
参数测量信息
详细介绍
概述
TPS6120x 是一款低输入电压同步升压转换器系列。这些器件支持 0.3 伏至 5.5 伏的输入电压范围，因此能够为由单节、两节或三节碱性、镍镉或镍氢电池，或者单节锂离子或锂聚合物电池供电的产品提供电源解决方案。它还用于燃料电池或太阳能电池供电的设备，因为在这些设备中处理低输入电压的能力至关重要。在使用一个单节锂离子或锂聚合物电池并且将其放电至2.6V 时， 此器件在 5V 输出时提供高达 600mA 的输出电流。该升压转换器基于固定频率、脉宽调制（PWM）控制器，采用同步整流以实现最高效率。在低负载电流下，转换器进入"节能模式"，以在宽负载电流范围内保持高效率。节能模式可以被禁用，迫使转换器以固定的开关频率运行。平均输入电流被限制在最大值 1500 毫安。输出电压通过外部电阻分压器编程，或者在芯片内部固定。转换器可以被禁用，以最大限度地减少电池消耗。在停机状态下，负载完全与电池断开连接。
功能框图
特征介绍
控制电路
该设备的控制电路采用的是平均电流模式拓扑结构。平均电感电流由一个快速电流调节环路进行调节，而该环路则由一个电压控制环路来控制。控制器还使用输入和输出电压的前馈。输入和输出电压的变化会被监测，并立即改变调制器中的占空比，以实现对这些误差的快速响应。电压误差放大器的反馈输入来自 FB 引脚。对于可调输出电压的设备，必须连接一个电阻式电压分压器到该引脚。对于固定输出电压的设备，FB 必须连接到输出电压上，以便直接检测电压。固定输出电压版本使用一个经过修剪的内部电阻分压器。反馈电压与内部参考电压进行比较，以生成稳定且准确的输出电压。
该控制器电路还能检测平均输入电流以及峰值输入电流。因此，既能控制最大输入功率，也能控制最大峰值电流，从而在所有可能的条件下实现安全稳定的运行。为了防止设备过热，还采用了内部温度传感器。
同步操作
该设备采用三个内部 N 型场效应晶体管来确保在所有可能的运行条件下实现同步功率转换。这使得该设备能够在较宽的输入电压和输出功率范围内保持高效率。
为避免因开关中电流过大而导致的接地偏移问题，采用了两个独立的接地引脚，即 GND 和 PGND。所有控制功能的参考基准均为 GND 引脚。电源开关连接至 PGND。在印刷电路板上，两个接地端必须仅在一处相连，理想情况下应靠近 GND 引脚。由于采用了三开关拓扑结构，在转换器关机时，负载始终与输入断开连接。
降压转换
降压转换器仅能调节高于输入电压的输出电压。而此设备的工作方式则有所不同。例如，它能够在输出端实现 3 伏的电压调节，而其输入端仅有两节新的碱性电池，总电池电压为 3.2 伏。另一个例子是使用具有 3.6 伏正向电压的白色 LED 从充满电的锂离子电池（输出电压为 4.2 伏）供电。为了正确控制这些应用，采用了"降压转换"模式。
如果输入电压达到或超过输出电压，转换器会自动切换至降压转换模式。在此模式下，控制电路会改变两个整流开关的行为。在继续开关操作的同时，它会将整流开关两端的电压降设置到所需的最高值，以调节输出电压。这意味着转换器中的功率损耗会增加。这必须在热考虑方面予以考虑。
设备使能
当 EN 信号设为高电平时，该设备便开始运行；而当 EN 信号设为低电平时，设备则会进入关闭模式。在关机模式下，稳压器停止工作，所有内部控制电路（包括UVLO）均关闭，负载与输入端断开连接。电流既不会从输入端流向输出端，也不会从输出端流向输入端。这意味着在关机状态下，输出电压可能会低于输入电压。
软启动与短路保护
在转换器启动过程中，会限制其占空比和峰值电流，以避免从电池中抽取过高的峰值电流。启用后，设备开始运行。起初，它会保持主输出 VoUT 与电源断开连接，并在 VAUX 上对电容器进行充电。一旦 VAUX 上的电容器充电至约 2.5 伏，设备就会切换到正常运行状态。这意味着 VOUT 被接通，VAUX 上的电容器开始充电，同时连接到设备的负载也会得到供电。为了以可控的方式提升输出电压，平均电流限制被设置为 400 毫安，并随着输出电压的增加而相应增加。当输出电压约为 1.2 伏时，电流限制处于其额定值。如果输出电压没有增加，电流限制也不会增加。没有实现计时器。因此，启动时的输出电压超调以及涌流都被控制在最小值。即使在输出端连接了大容量电容器，该设备也能以可控的方式提升输出电压。当输出电压未超过 1.2 伏时，设备会假定输出出现短路，并将电流限制值降低以保护自身及应用。在运行过程中若输出出现短路，电流限制值也会相应降低。该设备还能在输出端启动预偏置状态。
电流限制
该器件电流限制功能会限制电感中的平均电流。在升压连接器中，这指的是输入电流。如果负载过大，需要的输入电流超过平均电流限制值，那么该器件会通过降低输出功率来限制输入电流。在这种情况下，输出电压会降低。
欠电压锁定机制
欠压锁定功能可防止当 UVLO 引脚处的电压低于 0.25 伏时，主输出电压（ VOUT）的供电。当在要监测的电压（例如电源电压）处使用电阻分压器时，可以对所监测电压的任何阈值进行编程。在欠压锁定模式下，即使设备仍保持其 VAUX 供电电压，并且只有在 EN 被编程为低电平时才会关闭。此欠压锁定功能的实现是为了防止转换器出现故障。
热停机
该设备内置有一个温度传感器，用于监测内部集成电路的温度。如果温度超过预设的阈值（参见电气特性表），设备将停止运行。一旦集成电路的温度降至预设阈值以下，设备就会重新开始运行。设备内设有自保持机制，以避免在达到热关机阈值时出现不稳定的运行情况。
设备功能模式
电源节省模式
"电源节省（PS）"引脚可用于选择不同的工作模式。要启用电源节省模式，必须将 PS 引脚设为低电平。电源节省模式用于在轻负载情况下提高效率。如果启用了电源节省模式，当平均电感电流降至约 300 毫安以下且输出电压达到或高于其标称值时，转换器将停止运行。如果输出电压低于其标称值，该设备将通过使用高于当前负载条件所需值的预设平均电感电流重新启动输出电压的运行。运行可以持续一个或多个脉冲。一旦再次满足停止运行的条件，转换器将停止运行。
休眠模式可通过在 PS 引脚上施加高电平来关闭。在降压转换模式下，休眠模式始终处于开启状态，且在轻负载情况下无法强制设备进入固定频率运行模式。PS 输入支持标准逻辑阈值。
降压转换模式
如果输入电压达到或超过输出电压，转换器会自动切换至降压转换模式。在此模式下，控制电路会改变两个整流开关的行为。在持续开关的过程中，它会将整流开关两端的电压降设置到所需的最高值，以调节输出电压。这意味着转换器中的功率损耗会增加。这必须考虑到热方面的因素。
应用
应用范围
TPS6120x 系列直流-直流转换器适用于由单节至三节碱性电池、镍镉电池、镍氢电池供电的系统，其典型端电压在 0.7 伏至 5.5 伏之间。此外，它们也可用于由单节锂离子电池或锂聚合物电池供电的系统，其典型电压在 2.5 伏至 4.2 伏之间。另外，任何其他电压源，如太阳能电池或燃料电池（其典型输出电压在 0.3 伏至 5.5 伏之间），也能为使用 TPS6120x 的系统供电。
经典应用
设计要求
在本示例中，TPS61200 被用于设计一个输出电流为 100 毫安的 3.3 伏电源。TPS61200 可以由单节、两节或三节碱性（镍镉、镍氢）电池，或者单节锂离子或锂聚合物电池供电。在本示例中，对于单节碱性电池输入，输入电压范围为 0.8 伏至 1.65 伏。
设计细节
输入电压编程
在 TPS6120X 系列中，有固定输出电压和可调输出电压的版本可供选择。要正确配置固定输出电压器件，需使用 FB 引脚来检测输出电压。这意味着它必须直接连接到 VOUT。对于可调输出电压版本，使用外部电阻分压器来调节输出电压。电阻分压器必须连接在 VOUT、FB 和 GND 之间。当输出电压调节得当，FB 引脚上的电压典型值为 500 毫伏。输出电压的最大推荐值为 5.5 伏。电阻分压器中的电流应约为流入 FB 引脚电流的 100 倍。FB 引脚流入的典型电流为 0.01 微安，在 FB 和 GND 之间的电阻器 R2（即 R2）两端的电压通常为 500 毫伏。根据这两个数值，R2 的推荐值应低于 500 千欧，以便将分压器电流设置为 1 微安或更高。建议将此电阻器的值保持在 200 千欧的范围内。连接在 VOUT 和 FB 之间的电阻器 R1（其值取决于所需的输出电压 Vout）的值可以通过公式 1 计算得出：
例如，若输出电压为 3.3 伏，则应选择 1 兆欧的电阻作为 R，而选择 180 千欧的电阻作为 R2。
欠压锁定阈值编程
欠电压保护输入端可用于在电源电压过低时关闭主输出。内部参考阈值通常为 250 毫伏。如果电源电压下降到低于 250 毫伏时会导致关机，那么可以将 ViN 直接连接到紫外线低电压保护引脚。如果关机发生在更高的电压下，则可以使用电阻分压器。图 15 中的 R3 和 R4 展示了如何监测电路的输入电压的示例。电阻分压器中的电流应约为流经紫外线低电压保护引脚电流的 100 倍。欠电压保护引脚流入的典型电流为 0.01 微安，R4 两端的电压等于芯片上生成的紫外线低电压保护阈值电压，其值为 250 毫伏。因此，R4 的推荐值应在 250 千欧的范围内。由此，根据所需的关机电压 VINMIN，可以使用公式 2 计算电阻 R3 的值。
电感选择
为确保 TPS6120X 器件能够正常工作，必须在 VIN 和 Ll 引脚之间连接一个电感。要估算最小电感值，可以使用公式 3 。
在公式 3 中，计算了升压模式运行时的最小电感值 LMIN。Vin 是最大输入电压。推荐的电感值范围在 1.5 微亨至 4.7 微亨之间。最小电感值不应低于 1.5 微亨，即便公式 3 的计算结果更低也是如此。无论如何，建议使用 2.2 微亨，以在整个输入和输出电压范围内获得最佳性能。
根据所选定的电感值，可以使用公式 4 来计算电感在稳态运行时的峰值电流。
这将是当前选型时确定电感的关键参数。此外，还需考虑到负载瞬变和错误情况可能会导致电感电流增大。以下来自不同供应商的电感系列已与 TPS6120x 转换器配合使用：
电容选择
输入电容
至少需要一个 4.7 μF的输入电容，以改善稳压器的瞬态性能以及整个电源电路的电磁干扰性能。建议将 X5R 或 X7R 类型的陶瓷电容尽可能靠近 IC 的 VIN 和 PGND 引脚放置。
可以在输入电源引脚处安装一个 R-C 滤波器，以在输入信号存在噪声的场合提高系统性能。A 在这种情况下，建议使用 100 欧姆的电阻和 0.1 微法的电容。此滤波器并非必需使用。
输出电容
对于输出电容，建议使用小型的 X5R 或 X7R 陶瓷电容，并将其尽可能靠近 IC 的 VOUT 和 PGND 引脚放置。如果由于任何原因，应用需要使用不能靠近 IC 放置的大电容，那么就需要在大电容旁并联一个较小的陶瓷电容。这个较小的电容应尽可能靠近 IC 的 VOUT 和 PGND 引脚放置。要估算推荐的最小输出电容值，可以使用公式 5 。
应选用电容值处于计算得出的最小值范围内的电容器。这样做是为了保证控制回路的稳定性。对于最小等效串联电阻（ESR）方面，并没有其他额外的要求。输出电容值也没有上限。电容越大，输出电压的纹波就越小，在负载瞬变期间的输出电压下降也就越小。
VAUX电容
在 VAUX 引脚和 GND 引脚之间，必须连接一个电容器。该电容器用于维持和滤波控制电源电压，其值由 VIN、vouT 和 L 中的最大值决定。在启动时以及主输出 VoUT 开启之前，该电容器会被充电。为确保稳定运行，建议使用至少 0.1 微法的电容。在输出电压低于 2.5 伏时，电容的容量应在 1 微法范围内。由于该电容器还作为主开关的缓冲电容器使用，因此使用具有低 ESR 的 X5R 或 X7R 陶瓷电容非常重要。
系统案例
电源建议
TPS6120x 直流-直流转换器的电源可以是单节至三节的碱性电池、镍镉电池或镍氢电池，其典型端电压在 0.7 伏至 5.5 伏之间。TPS6120x 还可以由单节锂离子或锂聚合物电池供电，其典型电压在 2.5 伏至 4.2 伏之间。此外，任何其他电压源，如太阳能电池或燃料电池，只要其典型输出电压在 0.3 伏至 5.5 伏之间，也都可以作为电源。
输入电源应根据 TPS6120x 的额定值进行良好调节。如果输入电源距离器件超过几英寸，则除了陶瓷旁路电容器外，可能还需要额外的电容。一个容量为 47 微法的电解电容器或钽电容器是常见的选择。
PCB布局
PCB布局指南
对于所有开关电源而言，布局是设计过程中的一个重要环节，尤其是在高峰值电流和高开关频率的情况下。如果布局处理不当，调节器可能会出现稳定性问题以及电磁干扰问题。因此，应为主要电流路径和电源接地线使用宽而短的走线。输入和输出电容以及电感应尽可能靠近集成电路放置。使用一个公共地节点来连接电源地，而使用另一个不同的节点来连接控制地，以最大程度减少地噪声的影响。将这些接地节点连接到集成电路的任何一个接地引脚附近的位置即可。
反馈分隔器应尽可能靠近集成电路的控制地引脚放置。在布置控制地时，建议使用较短的走线，并与电源地走线分开。这样可以避免由于电源地电流和控制地电流的叠加而产生的接地漂移问题。请参考图 29 了解推荐的布局方式。
布局案例
热考虑
在采用低高度和细间距表面贴装封装形式的集成电路实现过程中，通常需要特别关注功率损耗问题。许多与系统相关的因素，如热耦合、气流、额外的散热器和对流表面，以及存在其他发热元件等，都会影响特定组件的功率损耗限制。
以下是三种提高散热性能的基本方法：
- 提高印刷电路板设计的功率散热量
- 加强元件与印刷电路板之间的热传导
- 在系统中引入气流
TPS6120x 系列器件的最大推荐接合温度（T）为 125°C。采用 10 针 SON 3×3 封装（DRC）时，当暴露的散热垫焊接好后，其热阻为 RejA = 41.2 °CW。规定的稳压器运行温度范围确保在最高环境温度 TA 为 85°C 时能够正常工作。因此，最大功率损耗约为 971 毫瓦。如果应用的最高环境温度更低，可以产生更多的功率损耗。
