TPS61023 — синхронный повышающий преобразователь от 0,5 В с ключами на 3,7 А

Выводы

Корпус — SOT-563 (TI DRL, чертёж DRL0006A): 1,5–1,7 × 1,1–1,3 мм, высота до 0,6 мм, шаг 0,5 мм; размеры и посадочное место — на странице SOT-563. В перечне исполнений — одно, TPS61023DRLR, 4000 штук на катушке, маркировка 1GI. Своего вывода для открытой площадки у корпуса нет, тепло уходит через выводы, поэтому TI советует делать медные полигоны у каждого вывода как можно больше.

Параметры

Предельные режимы: VIN, EN, FB, SW, VOUT — от −0,3 до 7 В; выбросы на SW — до 8 В длительностью 10 нс и до 9 В длительностью 1 нс (вниз до −0,7 В); кристалл −40…+150 °C; ESD — ±2000 В по модели тела человека и ±500 В по модели заряженного устройства (CDM). Рекомендуемые условия: вход 0,5–5,5 В, выход 2,2–5,5 В, эффективная индуктивность 0,37–2,9 мкГн (номинал 1,0 мкГн), эффективная ёмкость на входе от 1,0 мкФ (4,7 мкФ номинально), на выходе 4–1000 мкФ (10 мкФ номинально), кристалл −40…+125 °C. Характеристики — при TJ = −40…+125 °C, VIN = 3,6 В и VOUT = 5,0 В, типичные значения при 25 °C:

Тепловое сопротивление кристалл–воздух: 142,7 °C/Вт по JEDEC и 91,4 °C/Вт на плате TPS61023EVM (4 слоя, медь 2 унции, 50 × 38 мм).

Как работает

• Запуск. Когда вход выше порога UVLO, а EN выше 1,2 В, преобразователь сначала заряжает выходные конденсаторы током около 350 мА, пока выход ниже 0,4 В, затем — током, которого хватает на нагрузку 2 Ом. Когда выход сравняется со входом, начинаются переключения. От включения EN до 5 В при входе 2,5 В, 10 мкФ и без нагрузки — 700 мкс типично (плавный пуск).
• ШИМ. Квазипостоянная частота с адаптивным временем включения и управлением по току во впадине: следующий цикл начинается, когда ток дросселя опустится до порога, заданного усилителем ошибки. Компенсация внутренняя.
• PFM при малой нагрузке: преобразователь включается, когда FB опускается ниже опорного напряжения PFM, и отдыхает, пока выход выше. Выход при этом примерно на 1 % выше, чем в ШИМ (рис. 7-1; 601 против 595 мВ).
• Ограничение тока. Ток дросселя измеряется во время паузы по падению на верхнем ключе. Если ток выше порога весь цикл, пауза удлиняется, пока ток не опустится до порога; дальше с ростом нагрузки выход проседает.
• Сквозной режим. Если вход выше заданного выхода и выход дошёл до 101 % от заданного, переключения останавливаются, верхний ключ открыт постоянно: выход равен входу минус падение на сопротивлении дросселя и ключа. Переключения возобновляются, когда выход опустится до 97 %.
• Замыкание выхода. Ниже 1,8 В на выходе ток начинает ограничиваться, ниже 0,4 В — около 350 мА; после снятия замыкания — снова плавный пуск.
• Выключение. EN ниже 0,4 В выключает микросхему полностью, выход отключён от входа.

Выбор деталей

Формулы — из раздела 8.2.2 и 7.3.4 даташита. Скважность с учётом КПД η (TI советует брать 0,9):

Делитель (R1 от VOUT к FB, R2 от FB к GND):

R2 держат меньше 300 кОм, чтобы ток через него был хотя бы в 100 раз больше тока утечки FB. Меньше R2 — лучше помехоустойчивость, больше — меньше собственный ток при малой нагрузке.

Дроссель. TPS61023 рассчитан на 0,37–2,9 мкГн. Пиковый ток считают для худшего случая — наименьшего входа, наибольших выхода и тока, индуктивности на 30 % ниже номинала и пониженного КПД:

Размах пульсаций тока (ripple) TI советует держать меньше 40 % от среднего тока дросселя при наибольшей нагрузке, ток насыщения — выше пикового тока. Рекомендованные дроссели (табл. 8-2), все на 1 мкГн: Coilcraft XEL4030-102ME — 9,78 мОм, 9,0 А, 4,0 × 4,0 × 3,1 мм; Würth 74438357010 — 13,5 мОм, 9,6 А, 4,1 × 4,1 × 3,1 мм; Cyntec HBME042A-1R0MS-99 — 11,5 мОм, 7,0 А, 4,1 × 4,1 × 2,1 мм.

Наибольший ток до ограничения (уравнение 1): с ограничением по впадине средний ток дросселя на пороге — ILIM плюс половина размаха пульсаций:

Выходной конденсатор — керамика X5R или X7R с эффективной ёмкостью 4–1000 мкФ: ниже 4 мкФ возможна неустойчивость. Наименьшая ёмкость для размаха пульсаций VRIPPLE — COUT = IOUT · DMAX / (fSW · VRIPPLE); у электролитов добавляется ΔU = IL(P) · RESR (ESR). Керамика при номинальном напряжении может потерять больше половины ёмкости (смещение постоянным напряжением), поэтому берите запас по напряжению.

Конденсатор параллельно R1 (C3 на рис. 8-2) создаёт пару ноль–полюс и увеличивает запас по фазе. TI рекомендует его при выходной ёмкости больше 40 мкФ, с нулём на 1 кГц; при входе ниже 1 В — эффективную ёмкость на выходе около 100 мкФ и тот же ноль на 1 кГц: C3 = 1 / (2π · fFFZ · R1).

Входной конденсатор — 10 мкФ X5R или X7R вплотную к VIN и GND. Если питание приходит по длинным проводам, скачок нагрузки раскачивает колебания на керамике входа, которые, как предупреждает TI, могут даже повредить микросхему; тогда между источником и керамикой ставят электролит или тантал, типично 100 мкФ.

Наш расчёт: Li-ion → 5 В при 1,5 А

Схема рис. 8-1: вход 2,7–4,35 В, выход 5 В, 1,5 А, пульсации ±50 мВ; L = 1 мкГн, вход 10 мкФ, выход 2 × 22 мкФ, R1 = 732 кОм, R2 = 100 кОм. Считаем при наименьшем входе 2,7 В, η = 0,9, fSW = 1 МГц.

• Делитель. (5 / 0,595 − 1) · 100 кОм ≈ 740 кОм; TI ставит 732 кОм из ряда E96, это 0,595 · (1 + 7,32) ≈ 4,95 В. С ближайшим большим значением 750 кОм — 5,06 В. Разброс опорного напряжения 580–610 мВ сам по себе даёт 4,83–5,08 В с резисторами 732 и 100 кОм.
• Скважность. D = 1 − 2,7 · 0,9 / 5 ≈ 0,51.
• Ток дросселя. Средний — 5 · 1,5 / (2,7 · 0,9) ≈ 3,09 А. Размах — 2,7 · 0,51 / (1 мкГн · 1 МГц) ≈ 1,39 А, с индуктивностью на 30 % меньше — 1,98 А. Пиковый — 3,78 А при 1 мкГн и около 4,08 А при 0,7 мкГн. Дроссели из табл. 8-2 (7–9,6 А) проходят с запасом.
• Запас до ограничения. (1 − 0,51) · (2,7 + 1,39 / 2) ≈ 1,65 А при наименьшем пороге 2,7 А и ≈ 2,14 А при типичном 3,7 А. Наш вывод: 1,5 А при 2,7 В на входе обеспечены даже у микросхемы с наименьшим порогом, но запас — около 10 %.
• Пульсации тока. 1,39 / 3,09 ≈ 45 % — чуть больше рекомендованных 40 %; меньший размах дал бы дроссель побольше в пределах 2,9 мкГн.
• Выходной конденсатор. Для ±50 мВ (100 мВ размаха): 1,5 · 0,51 / (1 МГц · 0,1 В) ≈ 7,7 мкФ эффективной ёмкости. Два по 22 мкФ дают запас на смещение постоянным напряжением 5 В.
• Конденсатор C3. Если эффективная ёмкость на выходе больше 40 мкФ: 1 / (2π · 1 кГц · 732 кОм) ≈ 217 пФ — ближайший стандартный 220 пФ.
• Ток от аккумулятора. При 3,6 В и КПД 94 % (Features) — 7,5 Вт / (3,6 В · 0,94) ≈ 2,2 А; при 2,7 В и 90 % — 3,1 А.

Нагрев

Наибольшая допустимая мощность по уравнению 11 — PD(max) = (125 °C − TA) / RθJA, где 125 °C — предел кристалла при нормальной работе.

Наш расчёт для 40 °C вокруг: (125 − 40) / 142,7 ≈ 0,6 Вт на плате JEDEC и (125 − 40) / 91,4 ≈ 0,93 Вт на плате EVM. Потери проводимости ключей при 2,7 В и 1,5 А на выходе — около 3,09² · (0,51 · 0,047 + 0,49 · 0,068) ≈ 0,54 Вт (без потерь переключения): на плате JEDEC это нагрев примерно на 78 °C, кристалл — около 118 °C, почти на пределе. При 3,6 В на входе общие потери при КПД 94 % — 7,5 / 0,94 − 7,5 ≈ 0,48 Вт вместе с дросселем.

Наш вывод: 1,5 А в SOT-563 — это режим, где корпус охлаждает в основном медь платы. Разводите широкие полигоны у GND, SW и VOUT, соединяйте верхний и нижний слои общего провода переходными отверстиями вокруг микросхемы, как советует TI, и проверяйте тепловой расчёт платы.

Разводка

Самый критичный контур — нижний ключ → верхний ключ → выходной конденсатор → общий провод нижнего ключа: в нём токи меняются за наносекунды. Поэтому выходной конденсатор ставят вплотную и к VOUT, и к GND, а входной — к VIN и GND. Проводники к SW делают как можно короче и меньше по площади, под преобразователем — сплошной полигон общего провода.

TPS61023, MC34063 и TPS63020

Значения MC34063 — из карточки MC34063 (ST), TPS63020 — из карточки TPS63020 (TI SLVS916I).

Наш вывод: для 5 В от одного литий-ионного аккумулятора TPS61023 даёт ток в амперы при крошечном корпусе и почти без внешних деталей. MC34063 нужен, когда на входе больше 5,5 В или требуется инвертор; TPS63020 — когда выход должен быть то выше, то ниже входа, например 3,3 В от того же аккумулятора.

Расхождения в документации

• Ограничение тока. В Features и Description — «3,7 А по впадине», в описании — «типично 3,7 А во всём диапазоне температур», а в таблице характеристик 3,7 А — типичное значение при 3,6 → 5 В, гарантированный минимум — 2,7 А, максимум не указан. Расчёт наибольшего тока ведите от 2,7 А.
• Порог выключения EN. В разделе 7.3.2 — «ниже 0,4 В», в таблице характеристик ноль на EN — от 0,35 до 0,45 В (0,42 В типично).
• Делитель на рис. 8-1. Наш расчёт: 732 кОм и 100 кОм при типичном опорном 595 мВ дают 4,95 В, а не 5 В.
• Пульсации тока в примере. Раздел 8.2.2.2 советует размах меньше 40 % от среднего тока, а сам пример TI (1 мкГн, 2,7 В, 1,5 А) по нашему расчёту даёт около 45 %.
• Название корпуса. В тексте — SOT563 (DRL), в перечне исполнений — «SOT-5X3», на чертеже DRL0006A — «SOT - 0.6 mm max height».
• Обозначение тока. В тексте раздела 7.3.4 наибольший ток назван IOUT(LC), в уравнении 1 — IOUT(CL).