TPS63020 и TPS63021 — понижающе-повышающий преобразователь с ключами на 4 А

Выводы

Два общих провода разделены, чтобы большие токи ключей не сдвигали опорный уровень: все функции управления отсчитываются от GND, ключи подключены к PGND. Соединяют их на плате в одной точке, лучше всего у вывода GND. Корпус — VSON-14 размером 3 × 4 мм; маркировка PS63020 и PS63021, катушки по 3000 и 250 штук. Чертёж и посадочное место — на странице VSON-14 3 × 4 (TI DSJ); в этом даташите чертежа корпуса нет.

Параметры

Предельные режимы: VIN, VINA, VOUT, EN, PS/SYNC, FB, PG — от −0,3 до 7 В; L1, L2 — от −0,3 до 7 В постоянно и от −3 до 10 В в выбросах короче 10 нс; кристалл −40…+150 °C. ESD по модели тела человека — всего ±500 В на выводах VIN, VINA и L1, ±2000 В на остальных; по модели заряженного устройства (CDM) — ±1500 В на всех выводах. Рекомендуемые условия: питание 1,8–5,5 В, воздух −40…+85 °C, кристалл −40…+125 °C. Характеристики — во всём диапазоне температур и входных напряжений, типичные значения при 25 °C:

Тепловое сопротивление кристалл–воздух корпуса DSJ по JEDEC — 41,8 °C/Вт, кристалл–площадка — 3,6 °C/Вт.

Как работает и какие режимы есть

Преобразователь управляет средним током дросселя (average current mode) и сам переходит между режимами: когда вход выше выхода, он понижает, когда ниже — повышает. В каждый момент один ключ переключается, второй работает синхронным выпрямителем, третий постоянно открыт, четвёртый закрыт, — режима, в котором переключаются все четыре ключа, нет. Когда вход близок к выходу, циклы понижения и повышения чередуются, но не больше трёх одинаковых подряд.

• Экономичный режим (PS/SYNC = 0). Когда средний ток дросселя падает ниже примерно 100 мА, преобразователь работает пачками (PFM): ждёт, пока выход опустится до +2,5 % от номинала, и доводит его до +3,5 %. Выход при малой нагрузке поэтому выше номинала примерно на 3 % — TI называет это динамическим смещением: запас на провал при скачке нагрузки.
• Постоянная частота (PS/SYNC = 1) или синхронизация от внешнего генератора через ФАПЧ в пределах 2,2–2,6 МГц.
• Плавный пуск. После включения ограничение тока растёт с 400 мА вместе с выходным напряжением и достигает номинала при выходе около 1,2 В. Если выход не поднимается выше 1,2 В, преобразователь считает это замыканием и держит ток малым; таймера нет. Поэтому запуск на большую ёмкость проходит без броска тока.
• Ограничение тока снижается при входе ниже 2,3 В и при перегреве кристалла; при наименьшем входном напряжении преобразователь переходит в пачечный режим, стараясь проработать как можно дольше.
• Выключение (EN = 0): ключи останавливаются, схема управления выключена, нагрузка отключена от входа — выход может опуститься ниже входа.
• PG переходит в ноль, как только достигнуто ограничение среднего тока дросселя, — это самый ранний признак того, что выход сейчас просядет. Выход — открытый сток, подтяжка до любого напряжения в пределах предельных режимов.
• Перенапряжение. Если делитель оборван и выход уходит вверх, внутренняя защита держит выход на пороге 5,5–7 В.

Типовая схема и выбор деталей

Схема рис. 7 даташита: вход 2,5–5,5 В, выход 3,3 В при 1,5 А; C1 — 2 × 10 мкФ на входе, C2 — 3 × 22 мкФ на выходе, L1 — 1,5 мкГн, C3 — 100 нФ на VINA, R1 = 1 МОм и R2 = 180 кОм, R3 = 1 МОм — подтяжка PG к выходу. Детали для графиков TI (табл. 4): дроссель Coilcraft XFL4020-152ML 4 × 4 × 2 мм, конденсаторы X5R 6,3 В в корпусе 0603. На рис. 28 для 2 А — дроссель 1 мкГн, 4 × 22 мкФ и цепочка R4 = 68 кОм с C4 = 4,7 пФ от VOUT к FB, параллельно R1, — для лучшей реакции на скачки нагрузки.

Дроссель. Компенсация внутренняя, поэтому дроссель и конденсаторы выбирают из проверенных TI сочетаний. Индуктивность — не меньше 1 мкГн, иначе ток растёт слишком быстро и возможны субгармонические колебания; для 1,5–2 А — 1 или 1,5 мкГн, при меньшем токе можно 2,2 мкГн. Допустимые сочетания с выходной ёмкостью (табл. 1):

Примечания к табл. 1 закладывают отклонение индуктивности от +20 до −30 % и ёмкости от +20 до −50 % (допуск и смещение постоянным напряжением). Пиковый ток дросселя считают для режима повышения при наименьшем входном напряжении (уравнения 1 и 2):

где η — КПД (по графикам или 0,9), f — частота. Ток насыщения дросселя TI советует брать на 20 % больше расчётного. Рекомендованные дроссели (табл. 2): Coilcraft XFL4020-152ME — 1,5 мкГн, 5,1 А, 15 мОм, 4 × 4 × 2,1 мм; Murata FDV0530S-H-1R5M — 1,5 мкГн, 5,4 А, 24 мОм, 5 × 5 × 3 мм.

Конденсаторы. На выходе — керамика как можно ближе к VOUT и PGND, рекомендовано 3 × 22 мкФ; требований к наименьшему ESR нет, верхнего предела ёмкости тоже. Если большой конденсатор нельзя поставить рядом, у выводов ставят ещё и маленький керамический. На входе — 10 мкФ X5R или X7R у VIN и PGND; если источник дальше нескольких дюймов, добавляют электролит или тантал около 47 мкФ. На VINA — 0,1 мкФ, но не больше 0,22 мкФ.

Делитель (уравнение 3, только TPS63020) — R1 от VOUT к FB, R2 от FB к GND, R2 держат около 200 кОм:

Резисторы — по табл. 3 даташита. Подобрать другое сочетание из стандартного ряда поможет калькулятор делителя напряжения, общий расчёт преобразователя — калькулятор DC-DC.

Наш расчёт: 3,3 В и 1,5 А от Li-ion аккумулятора

Схема рис. 7: TPS63020, 1,5 мкГн, 3 × 22 мкФ, R1 = 1 МОм, R2 = 180 кОм. Аккумулятор — от 4,2 В заряженного до 2,5 В — нижней границы входа на рис. 7.

• Выход. 0,5 · (1 + 1000 / 180) ≈ 3,28 В; с разбросом FB 495–505 мВ — 3,24–3,31 В без учёта допуска резисторов. В экономичном режиме при малой нагрузке — на 0,6–5 % выше. Ток делителя — 3,3 / 1,18 МОм ≈ 2,8 мкА, мало по сравнению с током покоя 25 мкА.
• Пиковый ток дросселя при 2,5 В. D = (3,3 − 2,5) / 3,3 ≈ 0,24. Первое слагаемое — 1,5 / (0,9 · 0,76) ≈ 2,20 А, второе — 2,5 · 0,24 / (2 · 2,4 МГц · 1,5 мкГн) ≈ 0,08 А, всего около 2,3 А. С запасом 20 % — дроссель с током насыщения от 2,8 А; XFL4020-152ME (5,1 А) проходит с большим запасом. При индуктивности на 30 % меньше номинала пиковый ток растёт лишь до 2,3 А с небольшим.
• При 3,0 В на входе D ≈ 0,09, пиковый ток — около 1,87 А; ток от аккумулятора при КПД 90 % — 4,95 Вт / (0,9 · 3,0 В) ≈ 1,8 А.
• При 4,2 В преобразователь понижает, и средний ток дросселя равен току нагрузки — 1,5 А.
• Запас по току. Средний ток дросселя при 2,5 В — 2,2 А, ниже гарантированного порога ограничения 3,5 А. По графику рис. 2 (TPS63021, 3,3 В) наибольший выходной ток при 2,5 В на входе — около 2 А, при 2,2 В — около 1,65–1,7 А, при 1,8 В — около 0,6 А.
• Нагрев. При КПД 90 % (допущение, как в формуле TI) потери — 4,95 / 0,9 − 4,95 ≈ 0,55 Вт вместе с дросселем; даже если все они выделятся в микросхеме, при 41,8 °C/Вт это нагрев на 23 °C.

Наш вывод: схема рис. 7 даёт 3,3 В при 1,5 А почти до полного разряда аккумулятора; ниже 2,5 В на входе ток нагрузки нужно снижать. Защиту самого аккумулятора от глубокого разряда (UVLO преобразователя срабатывает лишь на 1,5 В) обеспечивают отдельно — платой защиты или контроллером. Зарядку ведёт отдельная микросхема, например TP4056.

Разводка

Входной и выходной конденсаторы и дроссель — как можно ближе к микросхеме, силовые цепи и PGND — широкими короткими проводниками. Делитель обратной связи — у вывода GND, проводники общего провода управления отдельно от силовых; GND и PGND соединяют в одной точке рядом с микросхемой. Площадку под корпусом припаивают к плате: TI перечисляет три средства улучшить теплоотвод — медь на плате, пайку площадки и обдув.

TPS63020, TPS61023 и AP2112 от Li-ion

Значения TPS61023 и AP2112 — из карточек TPS61023 (TI SLVSF14B) и AP2112 (Diodes DS39724).

Наш вывод: для 3,3 В от аккумулятора при токах до сотен миллиампер и коротких провалах достаточно LDO с малым падением, но он не использует нижнюю часть разряда. TPS63020 стоит дороже и требует аккуратной разводки, зато держит 3,3 В до конца разряда и при токах в ампер. Для 5 В от аккумулятора понижать не нужно — хватает повышающего TPS61023.

Расхождения в документации

• Выходной ток. В Features — 2 А при входе выше 2,5 В и выходе 3,3 В, в Description — «до 3 А», в разделе 8.1 — до 2 А при повышении и до 4 А при понижении; рис. 7 подписан «3,3 В при 1,5 А».
• Частота. В характеристиках и Features — 2,4 МГц, в пояснении к уравнению 2 — «typical 2.5 MHz».
• Питание VINA на схемах. В ревизии G с упрощённой схемы, рис. 7 и рис. 28 убрано соединение VINA с VIN; на рисунках VINA, EN и PS/SYNC соединены вместе и с конденсатором C3, но ни к чему не подключены. При этом VINA — питание схемы управления, а EN и PS/SYNC свободными оставлять нельзя. Наш вывод: на рисунках не хватает источника для этого узла; во всяком случае VINA должен получать питание в пределах 1,8–5,5 В, а EN и PS/SYNC — определённый уровень.
• Входное напряжение. Наименьшее рабочее — 1,8 В, а наименьшее напряжение запуска — до 1,9–2,0 В: от 1,8 В преобразователь может не запуститься, хотя продолжит работать. Упрощённая схема подписана «1,8–5,5 В», рис. 7 — «2,5–5,5 В».
• Делитель в табл. 3. Наш расчёт по уравнению 3: 750 кОм и 180 кОм дают 2,58 В вместо 2,5 В (+3 %); в остальных строках отклонение не больше 1,2 %.
• Табл. 5 и подписи графиков. Графики «PWM only» в табл. 5 указаны при PS/SYNC = Low; для рис. 15 в таблице стоит 2,5 В, а рисунок — для 4,5 В; рис. 19 подписан «Power Save Enabled», а на самом графике — «Power Save Disabled»; рис. 24–27 в таблице отнесены к TPS63021, а подписаны TPS63020.
• Температура. Рекомендуемая температура воздуха — −40…+85 °C, а в перечне заказных исполнений рабочий диапазон указан −40…+125 °C.
• Power Good. Вывод называется «питание в норме», но по разделу 7.3.4 он реагирует на достижение ограничения среднего тока дросселя, а не на выход напряжения из допуска; порогов по напряжению в таблице характеристик нет.