TPS5430 и TPS5431 — понижающие стабилизаторы на 3 А со встроенным ключом

Выводы

Корпус — HSOIC-8 с тепловой площадкой (у TI — SO PowerPAD, DDA). Без пайки площадки к плате TI не гарантирует ни теплоотвода, ни правильной работы: вывод GND должен соединяться с ней (табл. 4-1). По перечню исполнений от 15.07.2026 в производстве TPS5430DDA и TPS5431DDA в трубках и TPS5430DDAR, TPS5431DDAR на катушках.

Параметры

Условия — температура кристалла −40…+125 °C, вход 5,5–36 В; типичные значения при 25 °C и 12 В (разд. 5.5).

Предельные режимы (разд. 5.1): VIN — до 40 В у TPS5430 и до 25 В у TPS5431; PH — до тех же значений и до −0,6 В постоянно, до −1,2 В в импульсах короче 10 нс; ENA — до 7 В; VSENSE — до 3 В; BOOT относительно PH — до 6 В, при этом в работе некоторые экземпляры дают до 10 В, поэтому конденсатор BOOT берут на напряжение не ниже 10 В. Тепловое сопротивление кристалл — среда — 45 °C/Вт на плате TPS5430EVM; значение 42,3 °C/Вт по JESD 51-7 TI разрешает использовать только для сравнения корпусов.

Защиты (разд. 6.3): ограничение тока по каждому циклу по падению на ключе, при сильной перегрузке — режим hiccup с перезапуском через плавный пуск; отключение ключа при напряжении на VSENSE выше 112,5 % опорного; тепловая защита с автоматическим перезапуском.

Пример TI: 12 → 5 В, 3 А

Схема рис. 7-1: вход 10,8–19,8 В, выход 5 В, 3 А, пульсации входа 300 мВ и выхода 30 мВ.

Наш пересчёт по формулам TI: наименьшая индуктивность — 5 · (19,8 − 5) / (19,8 · 0,2 · 3 · 500 000) ≈ 12,5 мкГн; пиковый ток дросселя по формуле (6) — 3,31 А, действующий — 3,003 А; выходной конденсатор — 1 / (3357 · 15 мкГн · 18 кГц · 5 В) ≈ 220 мкФ; наибольшее ESR — 1 / (2π · 220 мкФ · 18 кГц) ≈ 40 мОм. Все значения совпадают с приведёнными TI. Обычные индуктивности для TPS5430 — 10–100 мкГн; из-за встроенной коррекции далеко не любые сочетания дросселя и конденсатора устойчивы, поэтому отклоняться от этих формул без проверки петли не стоит.

Пример рис. 7-9 расширяет вход до 10–35 В при том же выходе 5 В: дроссель 22 мкГн, два входных конденсатора по 4,7 мкФ, тот же делитель и диод.

Пределы выходного напряжения

Выход нельзя задать любым при любом входе (разд. 7.2.1.2.8.1). Сверху его ограничивает наибольшее заполнение 87 % — формула (13): VOUT(max) = 0,87 · (VIN(min) − IOUT · 0,23 + VD) − IOUT · RL − VD. Наш расчёт при 3 А, диоде 0,5 В и сопротивлении дросселя, принятом за ноль: 5 В на выходе требуют не меньше 6,5 В на входе, а при 5,5 В на входе выход не выше 4,1 В.

Снизу выход ограничен наименьшим временем включения 200 нс — формула (14): VOUT(min) ≈ 0,12 · (VIN(max) − IOUT(min) · 0,11 + VD) − IOUT(min) · RL − VD. Наш расчёт при малой нагрузке и диоде 0,5 В: около 1 В при 12 В на входе, 2,4 В при 24 В и 3,9 В при 36 В. Наш вывод: 3,3 В от шины 24 В TPS5430 даёт, а от 36 В при малой нагрузке — нет.

Нагрев

TI предлагает оценку потерь в непрерывном режиме (разд. 7.2.1.2.8.3): потери в ключе IOUT² · RDS(on) · VOUT / VIN, потери переключения VIN · IOUT · 0,01, собственные потери VIN · 0,01; перегрев кристалла — сумма, умноженная на тепловое сопротивление. Наш расчёт для 12 → 5 В и 3 А с типичным сопротивлением ключа 100 мОм: 0,375 + 0,36 + 0,12 ≈ 0,86 Вт, перегрев около 38 °C при 45 °C/Вт; с наибольшим сопротивлением 230 мОм — 1,34 Вт и около 60 °C. Значит, при окружающих 60 °C и выше кристалл приближается к пределу 125 °C. Оценить площадь меди под корпусом помогает калькулятор теплоотвода через плату.

Включение и разводка

Вывод ENA имеет внутреннюю подтяжку 1,5 МОм: свободный вывод — стабилизатор работает. Управлять им TI разрешает только выходом с открытым стоком или коллектором (разд. 6.3.3); резистор от ENA на общий провод ставить нельзя — с подтяжкой он образует делитель, и порог включения перестаёт быть определённым. Напряжение на ENA — не выше 7 В.

Разводка (разд. 7.4): керамический конденсатор не меньше 4,7 мкФ X5R или X7R у вывода VIN с наименьшей петлёй через GND; полигон общего провода под корпусом с переходными отверстиями на внутренние слои; коммутационный узел PH — коротким и узким, дроссель и диод вплотную к микросхеме; дорожку обратной связи от делителя к VSENSE не вести рядом с PH. Если источник питания дальше нескольких дюймов, на входе добавляют электролитический конденсатор, обычно 100 мкФ (разд. 7.3).

TPS5430, LM2596 и TPS54360

Значения LM2596 и TPS54360 — по их карточкам на сайте (LM2596 — даташит TI SNVS124G, TPS54360 — TI SLVSBB4G по его карточке). Наш вывод: TPS5430 компактнее LM2596 благодаря втрое большей частоте — дроссель и конденсатор меньше, — но не прощает плохой разводки и требует пайки тепловой площадки.

Расхождения в документации

• Диапазон частоты среза. Разд. 7.2.1.2.4.2 называет желательным диапазон частоты среза петли 3–30 кГц, а в следующей фразе для того же примера — «между 2590 Гц и 24 кГц».
• Обозначение входной ёмкости. В формуле (2) пульсаций входа стоит CBULK, а в расшифровке — CIN.
• Выходной конденсатор в двух примерах. В тексте примера 12 → 5 В выбран Sanyo POSCAP 10TPB220M, а на рис. 7-9 и 7-10 подписан 10TP220M.
• Входной конденсатор. Разд. 7.2.1.2.3 рекомендует 10 мкФ, разд. 7.4.1 — не меньше 4,7 мкФ, а пример рис. 7-9 использует два по 4,7 мкФ.
• Наименьшее заполнение. Таблица даёт наименьшее время включения до 200 нс, что при 500 кГц соответствует 10 % (наш расчёт), формула (14) использует коэффициент 0,12, а график рис. 5-8 показывает наименьшее заполнение около 7,5 %.