TPS5430学习记录(一)手册理解

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TPS5430学习记录(一)手册理解

文章目录

• 器件选择
• • 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​
  • 输出电感 L O U T L_{OUT} LOUT​
  • 输出电容 C O U T C_{OUT} COUT​( C 3 C_3 C3​)
  • 环流二极管
• 反馈电路设计
• • 直流通路
  • 交流通路
  • • 电路设计依据（存疑）
    • 器件选择

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

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​

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。
但 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​×fsw​IOUT(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)​×fsw​VOUT​×(VIN​−VOUT​)​
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×LOUT​1​
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​×NC​VOUT​×(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​

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）

直流通路

通过 R 4 R_4 R4​和 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+R6​R4​​)
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。

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：

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*} fp1​fz2​fz3​​=500k×fLC​VOUT​​=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*} C12​R7​C11​​=2π×fp1​×(R4​//Rs6​)1​=2π×fz2​×C12​1​=2π×fz3​×R4​1​​

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）