Применение микросхемы DC-DC преобразователя TPS562200

08.10.2018

Texas Instruments выпускает довольно интересную и противоречивую серию микросхем понижающих DC-DC преобразователей TPS56x200, состоящую из TPS562200 (ток нагрузки до 2А) и TPS563200 (ток нагрузки до 3А). Эти микросхемы интересны не столько своим размером (SOT-23-6), тут у них хватает конкурентов, сколько тем, что являются синхронными. А это позволяет получить более высокий КПД и избавиться от внешнего диода. При этом микросхемы получились капризными в применении, а первые версии документации содержали ошибку, впоследствии исправленную. Я буду рассматривать TPS562200.

Что бы понять, в чем заключается противоречивость микросхемы давайте посмотрим на ее плюсы и минусы. Сначала плюсы:

Маленькие размеры
Высокий КПД
Высокая точность поддержания выходного напряжения
Малые пульсации выходного напряжения в рабочих режимах работы
Наличие встроенной защиты от перегрева, превышения выходного напряжения, пониженного входного напряжения, короткого замыкания в нагрузке, перегрузки по току нагрузки.
Даже в случае выхода микросхемы из строя в нагрузку не поступит высокое входное напряжение
Минимум внешних деталей
Есть вход включения/выключения преобразователя
Малый собственный ток потребления

Минусов тоже хватает:

Неудачная цоколевка. Выход ключа расположен таким образом, что не получается обойтись односторонней печатной платой.
Повышенные пульсации выходного напряжения при малом токе нагрузки (режим прерывистых токов дросселя).
Максимальный рекомендуемый коэффициент заполненния (скважность) 65%. То есть, минимальное входное напряжение определяется как V_in(min)=V_o/0.65. Например, для получения на выходе 5В на вход нужно подать не менее 7.7В
Токовая защита построена на отслеживании среднего тока нагрузки (тока выходных ключей). Это не позволяет защитить ключевой каскад, например, от пиков тока при насыщении дросселя.
Очень большая критичность к топологии печатной платы.
Склонность микросхем к "сгоранию" в прямом сысле слова.

Теперь немного подробнее о минусах. Сначала о неудачности цоколевки и критичности к топологии платы. Дело в том, что выход ключевого каскада расположен между выводами земли и входного напряжения.

При этом не допускается располагать дорожку от этого вывода до дросселя под корпусом микросхемы (в документации, Do not allow switching current to flow under the device). Нарушение этого требования приводит к физическому выгоранию микросхемы из-за наводок на ее внутренние цепи и одновременного открытия верхнего и нижнего ключевых транзисторов. Поэтому дорожка от вывода ключей до дросселя должна проходить по второй стороне платы. Причем так, что бы не оказаться под корпусом микросхемы.

Микросхема вообще склонна к выгоранию. В этом и заключается ее капризность. Можно было бы предположить, что мне попалась бракованная партия микросхем, если бы не жалобы на подобное поведение и на E2E форуме Texas Instruments. Да и микросхемы, общим количеством 300 штук, приобретались двумя разными партиями у разных Российских поставщиков. Кроме неудачной топологии платы к выгоранию может привести насыщение дросселя, ведь пиковой защиты от тока в микросхеме нет. Поэтому рекомендую выбирать дроссель с максимальным током насыщения даже в том случае, если ток нагрузки меньше максимального и можно поставить дроссель меньшего размера. Иногда микросхемы выгорают вообще без видимых причин.

И последний минус, это повышенные пульсации выходного напряжения при малых токах нагрузки. В режиме непрерывного тока через дроссель пульсации составляют, примерно, 20 мВ (пик-пик). А режиме прерывистого тока возрастают в 10 раз. Для цифровых схем такие пульсации не представляют проблем, но для аналоговых это может быть критично. Минимальный ток нагрузки, при котором ток дросселя становится прерывистым, а пульсации возрастают, расчитывается так

Для входного напряжения 13В, выходного 5В, индуктивности дросселя 4.7мкГн и частоте переключения 650 кГц (рекомендация производителя) граничное значение тока нагрузки составит 0.5А. Измеренное значение одного из преобразователей составило 0.41А. Разница обусловлена тем, что индуктивность дросселя имела допуск 20%, а реальная частота переключения составляет 720-750кГц.

Вот и получается, что микросхема противоречива. С одной стороны, при удачной топологии и рабочих токах нагрузки, получаются надежные и экономичные блоки питания. С другой стороны, капризность и повышенные пульсации при малой нагрузке могут привести к нецелесообразности ее использования.

Но довольно лирики и сомнений. Пора переходить к практике. Схема включения микросхемы приведена в документации и добавить к ней что либо сложно.

Более того, даже особых расчетов не требуется. Рекомендуемые индуктивности дросселя и емкости кондесаторов выходного фильтра в документации уже сведены в таблицу в зависимости от выходного напряжения.

Безусловно, в документации приведены требования к расчету индуктивности и емкости. Но, в данном случае, требуется обеспечить баланс фаз и амплитуд для обеспечения устойчивости. Причем для двух полюсов, так как надо учитывать и используемую технологию D-CAP2. Производитель сам решил получающиеся системы уравнений и свел результаты в таблицу, для удобства.

В таблице есть и значения сопротивлений для различных выходных напряжений. Однако, в отличии от индуктивности дросселя и емкости выходного фильтра, их расчет гораздо проще и может быть выполнен самостоятельно.

Для выбора дросселя по максимальному току сначала расчитывают амплитуду пульсаций тока в дросселе. При этом частота переключения выбирается равной 650 кГц (рекомендации производителя).

Как видно, амплитуда пульсаций тока в дросселе зависит выходного напряжения, максимального входного напряжения, индуктивности дросселя и частоты переключения. Например, для максимального входного напряжения 15В, выходного напряжения 5В и индуктивности дросселя 4.7 мкГн получаем амплитуду пульсаций тока 1.09А.

Теперь можно расчитать пиковое значения тока через дроссель

Тут уже появляется зависимость от тока нагрузки. Для приведенного выше примера и тока нагрузки 1.5А получаем пиковое значение тока дросселя 2.05А. При таком токе магнитопровод дросселя не должен входить в насыщение. Для максимального тока нагрузки 2А (максимальный для TPS562200) пиковое значение тока дросселя составит 2.55А. Учитывая особенности микросхемы и ее капризность рекомендую выбирать дроссель с током насыщения не менее 3А в любом случае. Конечно, если габариты важны, то можно использовать и дроссель с меньшим током насыщения (не ниже расчетного). Например, я успешно использовал миниатюрный дроссель с током насыщения 1.4А в блоке питания с током нагрузки 0.5А для автомобильного устройства.

Наконец, можно расчитать среднеквадратичное значение тока через дроссель

Некоторые производители указывают для своих дросселей не только ток насыщения, но и максимальное среднеквадратичное значение тока. От этого зависят и габариты дросселя, и его температура в рабочем режиме. Для тока нагрузки 1.5А среднеквадратичное значение тока через дроссель составит 1.53А.

Кроме емкости, конденсаторы выходного фильтра выбирают исходя из среднеквадратичного значения тока через них

И конденсаторы выходного фильтра, и конденсаторы на входе микросхемы должны быть с низким ESR. Желательно, керамические.

Расчет тока нагрузки, ниже которого возрастают пульсации выходного напряжения, приведен выше, при обсуждении минусов микросхемы.

Вот и все расчеты. Если же воспользоваться данными таблицы и выбирать дроссели с током насыщения не менее 3А, то расчитывать вообще ничего не требуется. Кроме минимального тока нагрузки, если важны пульсации выходного напряжения.

Приведу пример реально работающего блока питания с такими параметрами:

Входное напряжение: 9 - 16 В
Выходное напряжение: 5.1 В (5 В 2%)
Максимальный ток нагрузки: 2 А
Максимальный долговременный средний ток нагрузки: 1.5 А
Рекомендуемый диапазон токов нагрузки: 0.45 - 1.5 А
КПД: 84% (входное напряжение 15В, ток нагрузки 1А)

При этом температура микросхемы и дросселя, при размещении блока в закрытом корпусе и температуре окружающего воздуха +25 градусов, не превышает 80 градусов, что позволяет обойтись без радиатора. Как видно, каких либо значимых отличий от схемы из документации нет.

Дроссель VLS6045EX производства TDK имеет ток насыщения 5.8А и среднеквадратичный (тепловой) 4.2А. Печатная плата двухсторонняя, размеры 21х16 мм. Используются резисторы типоразмера 1206 и конденсаторы типоразмера 0805.

Осциллограмма выходного напряжения при рекомендуемом диапазоне токов нагрузки. Вертикальный масштаб 20мВ/деление, горизонтальный 500нс/деление. Видно, что амплитуда пульсаций примерно 20мВ пик-пик, частота переключения примерно 780кГц.

При токе нагрузки 200мА картинка гораздо хуже. Вертикальный масштаб 50мВ/деление, горизонтальный 5мкс/деление. Видно, что амплитуда пульсаций примерно 150мВ пик-пик, а их частота 65кГц.

При токе нагрузки 50мА все еще хуже. Вертикальный масштаб 50мВ/деление, горизонтальный 200мкс/деление. Амплитуда пульсаций достигла 200мВ, а частота снизилась до 1.2кГц.

Блок питания (преобразователь) предназначен для использования в автомобильных устройствах бортовой автоматики, а так же в средствах малой автоматизации питающихся от 12В.

Если Вы хотите сами собрать такой преобразователь, то можете скачать архив с Gerber файлами для изготовления печатной платы. Изменив сопротивление резистора R1 можно получить другие выходные напряжения, дроссель менять не требуется. Но учтите, что нельзя заменять резисторы R1 и/или R2 на переменные! Как минимум, существенно ухудшатся параметры блока, но может и выгореть микросхема. Так же, можете заказать у меня как печатные платы, так и уже собранные и проверенные блоки.

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме