Current mode DC/DC和DCAP2 mode DC/DC设计实例

接下去给大家讲一下

DCAP2 模式的一些 DCDC 设计实例

那我们主要讲一下

TPS562200和562209这两个

TPS562200和562209这是

输入电压是4.5伏到17伏的

DCDC 降压转换器

那它其实内部是使用了是

DCAP2 模式的控制方式

650K 的开关频率

562200和562209的区别在于

56200它是颗轻载高效的 IC

也就是说

在负载比较低的情况下

它是

这是跳周期模式模式

来用来提高效率

而562209它是强制电流连续模式

也就是说

不管是在轻载还是重载的情况下

它都是 PWM 模式

那这两颗它都是 SOT23-6 的封装

这个也是外面比较通用的一个封装

所以经常可以去做替代量使用

这是 TPS562200 和竞争对手的

一个热量比较

那我们可以看到

在2安培输出的情况下

我们可以看到

562200它的温度是在101.5度

而竞争对手在相同的条件下

会达到128度

也就说明了

562200具有更好的一个效率

然后我们可以看到它的动态响应

因为我562200它是集成了

DCAP2 模式的控制方式

所以说在从0.5安培到1.5安培的

一个瞬态响应的时候

它的电压跌落只有20毫伏

所以也是动态响应也是非常快的

那对于这两颗 IC

其实 TI 的网上有 WEBENCH 这个软件

大家可以把你系统中所使用的设计条件

输入输出电压和输出电流打入进去

这样就可以

他就会帮你设计出你需要的一个电流图

并且可以做仿真

所以这是个非常好用的一个软件

然后 TI 在 deyisupport 和 E2e

内部 TI 论坛社区上面

大家都可以把遇到的一些问题

在上面进行提问

会有相应的专家给你们进行解答

这个是 TPS563200

3安培的一颗 DCDC

和其它竞争者对手所做的一个比较表

我们可以看到

在市面上通用的3安培的 DCDC 里面

我们的 Rds-on 是最小的

也就是

这样能体现出我们的效率也是最高的

那同样我们也可以看到

在 Vref 精度这块我们也是最好的

那也就说明了

我们输出电压这样会更精准

那其次就是外围的电路

因为我前面提到过

DCAP2 外围补偿

几乎是很少或者说没有

所以说它外面所使用的器件和

应用电路的复杂程度也是最简单的

接下去我们讲一下

TPS562200 的一个设计实例

那设计之前

我们先定义好系统的一些需求指标

根据这些指标

我们可以首先来设计电感

电感跟纹波是有着密切关系的

当我电感感值越大的时候

我的纹波电流也就越小

那我们先把纹波

电流纹波先指定好

一般的纹波电流是定为

我输出最大输出电流的

四分之一到二分之一

那在这里我们就把

我们就取三分之一左右的

一个最大电流值

我们可以把纹波这个值代入这个公式

然后根据我系统的一个设计

这样我可以计算出我理论上的一个电感感值

那这个设计实例里面

我们计算出电感的感值是2.2微亨左右

接下去我们讲一下

如何去设计电感的电流

那电感的电流主要是分两块

一个是电感的饱和电流

还有一个是电感的一个额定电流

那电感的饱和电流它主要是

通过这个公式进行计算的

它其实就是我的输出电流

加上二分之一的电感的峰峰值的电流

因为电感的感值它其实是

随着我电感的电流的增加而逐渐下降的

而电感的饱和电流其实

就是指的是我电感的感值在低于

20%到30%的额定值的情况下

我所能流过的电流

如果当我

如果实际的电流值超过了饱和电流的话

它其实它的感值会变得非常小

那这样的话会导致电感上面的

电感电流纹波加大

从而会引起整个系统的振荡

所以我们在我们选取的

电感的饱和电流值是一定一定要大于

我所计算出来的理论的饱和电流值

接下去是电感的额定电流

电感的额定电流我们也可以

通过下面的公式进行计算

我们选取的电感的额定电流值

是一定要大于这个计算出来的

理论的额定电流值

否则的话电感会发烫

它会导致里面的材料给烧坏

接下去我们讲一下如何去选择输出电容值

那输出电容值它其实是

需要不同的几个方面来去考虑的

首先我们先来讲一下输出的 overshoot

怎么会去产生 overshoot

我们可以看一下

右边这张图

Overshoot 它一般是产生于

当我的负载从重载跳到轻载的时候

我们可以看下右下角这个图

这根曲线的斜率其实就是

我实际的负载电流从一个很高的电流

瞬时下降到一个很低的电流

这是它的一个下降斜率

这个斜率是其实是非常非常陡的

是2.5安培每微秒的一个斜率

但是我电感上面的电流

因为我电感有厄流效应存在

所以我的电感电流变化不可能有这么快

所以我是以这条斜率来进行下降的

所以这个时候我电感上面的电流其实是

跟不上我的负载电流的跳动的

所以这样就会有一个电荷差值

我们对这两个电流的差值

和时间进行个积分就可以得出

这个所包的区域就是一个电荷的一个差值

而这个电荷的差值

就会导致我输出电压的上升

这个上升的电压就是

我们所称的一个 overshoot

那当我们把输出电容增加的话

根据 Cv=it

如果电容的容值增加的话

我的电压是会进行下降的

那这样的话

我们可以通过增大输出电容值

来把输出电压给降低

所以我们可以看左边这个公式

左边这个公式

我们可以通过左边的公式

来求出我理论上输出电容的容值需要有多大

那这个 n 其实就是

我输出的 overshoot

和我输出电压的一个百分比

这个可以根据我们客户实际的系统来设定

S/R 就是我实际负载从重载到轻载的

一个通过率

那有了这几个条件以后

我们就可以得出

我们理论上需要我们的输出电容

大于多少容值

同样的道理

所以当我输出负载从轻载跳重载的时候

这时候我们就要考虑 undershort

undershort 它的意思就是说

当我轻载到重载这个斜率

变化非常快的时候

变化非常快的时候

这时候我的电感电流

来不及跟上这个变化

所以它也会产生一个电荷差

那这个阴影部分就是这个电荷差

它是两个电流的差值和我时间的一个积分

那这个差值就是需要我把电容的容值给加大

来弥补这个电荷差

那这个红色的虚线

其实是一个等效的一个斜率

因为我们知道

电感电流它的爬升肯定不是一根直线

因为它有最小关断时间产生

所以说它会产生一个最小的一个关断时间

来进行下降

那我们就是需要把这一个波形

去等效成一个斜线上升的一个直线

所以我会有这一个公式

就是一个等效的一个斜率曲线

那我们把等效的斜率曲线求出来以后

再代到这个公式里面去

就可以得出我需要的输出电容的一个值

那我们可以通过如下这个公式我们可以计算出

如果当我输出的 undershort

需要在5%的输出电压情况下

斜率是2.5安培每微秒

然后我的最小的关断时间是260纳秒

这样我们就可以求出等效的斜率

然后代入这个公式就可以最终可以求到

我的输出电容是需要大于等于

21.7微法这样个电容值

第三个考虑的就是环路稳定性这个角度

如果需要环路稳定的话

刚才我们讲了这个穿越频率

是需要工作在开关频率的二分之一

其实二分之一也有一点高

其实我们是建议在三分之一以内

是比较保险的

那这样决定好了穿越频率以后

我们就可以通过上面这个公式

上面这个公式基本上都能在手册里面去找到

通过这个公式的计算

我们就可以得出

我们输出电容理论的一个计算值

那通过刚才我的

undershoot overshoot 和环路稳定性

这三点去考虑的话

综合起来去考虑的话

我们选取44微法来做输出电容值

这样是最保险的

那通过刚才我们计算得出的

输出电容的容值

这样我们可以就计算出输出电压的纹波

那输出电压的纹波它其实是

由这三种纹波所组成的

第一种纹波就是由于

我的输出电容上面的ESR

乘上我的电感电流它所形成的一个纹波

其次就是说

由于我输出电感和电容上面的

寄生电感所产生的 ESL

所形成的一个纹波

因为这个纹

因为现在基本上都是用的贴片电容

所以它那个寄生电感也非常非常小

所以这一部分也可以忽略

第三个就是主要是由

我输出电容的充放电所产生的一个纹波

我们可以把刚才输出电容值

代入这几个公式

可以计算叠加得出的结果

它是远远小于30毫伏的一个纹波值

所以就没有问题

所以

从我经验上来看

如果通过前几个因素所选取出来的电容值

基本上它的纹波都是很小的

接下去我们就再看一下输入电容

一般输入电容比较简单

一般我们选10微法就可以了

那最多我们需要看的是

就是说流入这个电容上面的一个均方根值

这个均方根的电流值

我们可以通过这个公式进行计算

那计算出以后我们再根据这个电容的

手册上面可以查到它所容许的

一个均方根的一个电流值

只要不超过那个电流值其实就可以了

那还有一个就是

输入电容我们要考虑它最大耐压

一般来说输入电容的耐压值

我们要选那个最大输入电压的

一个1.5倍到2倍的这样的一个范围内

其次就是说

我们可以通过输入电容的容值

我们可以计算出

输入电压的纹波

我们这里计算出是25毫伏

在12伏的输入电压情况下

那基本也是没有问题的

接下去给大家讲一下

DCAP2 模式的一些 DCDC 设计实例

那我们主要讲一下

TPS562200和562209这两个

TPS562200和562209这是

输入电压是4.5伏到17伏的

DCDC 降压转换器

那它其实内部是使用了是

DCAP2 模式的控制方式

650K 的开关频率

562200和562209的区别在于

56200它是颗轻载高效的 IC

也就是说

在负载比较低的情况下

它是

这是跳周期模式模式

来用来提高效率

而562209它是强制电流连续模式

也就是说

不管是在轻载还是重载的情况下

它都是 PWM 模式

那这两颗它都是 SOT23-6 的封装

这个也是外面比较通用的一个封装

所以经常可以去做替代量使用

这是 TPS562200 和竞争对手的

一个热量比较

那我们可以看到

在2安培输出的情况下

我们可以看到

562200它的温度是在101.5度

而竞争对手在相同的条件下

会达到128度

也就说明了

562200具有更好的一个效率

然后我们可以看到它的动态响应

因为我562200它是集成了

DCAP2 模式的控制方式

所以说在从0.5安培到1.5安培的

一个瞬态响应的时候

它的电压跌落只有20毫伏

所以也是动态响应也是非常快的

那对于这两颗 IC

其实 TI 的网上有 WEBENCH 这个软件

大家可以把你系统中所使用的设计条件

输入输出电压和输出电流打入进去

这样就可以

他就会帮你设计出你需要的一个电流图

并且可以做仿真

所以这是个非常好用的一个软件

然后 TI 在 deyisupport 和 E2e

内部 TI 论坛社区上面

大家都可以把遇到的一些问题

在上面进行提问

会有相应的专家给你们进行解答

这个是 TPS563200

3安培的一颗 DCDC

和其它竞争者对手所做的一个比较表

我们可以看到

在市面上通用的3安培的 DCDC 里面

我们的 Rds-on 是最小的

也就是

这样能体现出我们的效率也是最高的

那同样我们也可以看到

在 Vref 精度这块我们也是最好的

那也就说明了

我们输出电压这样会更精准

那其次就是外围的电路

因为我前面提到过

DCAP2 外围补偿

几乎是很少或者说没有

所以说它外面所使用的器件和

应用电路的复杂程度也是最简单的

接下去我们讲一下

TPS562200 的一个设计实例

那设计之前

我们先定义好系统的一些需求指标

根据这些指标

我们可以首先来设计电感

电感跟纹波是有着密切关系的

当我电感感值越大的时候

我的纹波电流也就越小

那我们先把纹波

电流纹波先指定好

一般的纹波电流是定为

我输出最大输出电流的

四分之一到二分之一

那在这里我们就把

我们就取三分之一左右的

一个最大电流值

我们可以把纹波这个值代入这个公式

然后根据我系统的一个设计

这样我可以计算出我理论上的一个电感感值

那这个设计实例里面

我们计算出电感的感值是2.2微亨左右

接下去我们讲一下

如何去设计电感的电流

那电感的电流主要是分两块

一个是电感的饱和电流

还有一个是电感的一个额定电流

那电感的饱和电流它主要是

通过这个公式进行计算的

它其实就是我的输出电流

加上二分之一的电感的峰峰值的电流

因为电感的感值它其实是

随着我电感的电流的增加而逐渐下降的

而电感的饱和电流其实

就是指的是我电感的感值在低于

20%到30%的额定值的情况下

我所能流过的电流

如果当我

如果实际的电流值超过了饱和电流的话

它其实它的感值会变得非常小

那这样的话会导致电感上面的

电感电流纹波加大

从而会引起整个系统的振荡

所以我们在我们选取的

电感的饱和电流值是一定一定要大于

我所计算出来的理论的饱和电流值

接下去是电感的额定电流

电感的额定电流我们也可以

通过下面的公式进行计算

我们选取的电感的额定电流值

是一定要大于这个计算出来的

理论的额定电流值

否则的话电感会发烫

它会导致里面的材料给烧坏

接下去我们讲一下如何去选择输出电容值

那输出电容值它其实是

需要不同的几个方面来去考虑的

首先我们先来讲一下输出的 overshoot

怎么会去产生 overshoot

我们可以看一下

右边这张图

Overshoot 它一般是产生于

当我的负载从重载跳到轻载的时候

我们可以看下右下角这个图

这根曲线的斜率其实就是

我实际的负载电流从一个很高的电流

瞬时下降到一个很低的电流

这是它的一个下降斜率

这个斜率是其实是非常非常陡的

是2.5安培每微秒的一个斜率

但是我电感上面的电流

因为我电感有厄流效应存在

所以我的电感电流变化不可能有这么快

所以我是以这条斜率来进行下降的

所以这个时候我电感上面的电流其实是

跟不上我的负载电流的跳动的

所以这样就会有一个电荷差值

我们对这两个电流的差值

和时间进行个积分就可以得出

这个所包的区域就是一个电荷的一个差值

而这个电荷的差值

就会导致我输出电压的上升

这个上升的电压就是

我们所称的一个 overshoot

那当我们把输出电容增加的话

根据 Cv=it

如果电容的容值增加的话

我的电压是会进行下降的

那这样的话

我们可以通过增大输出电容值

来把输出电压给降低

所以我们可以看左边这个公式

左边这个公式

我们可以通过左边的公式

来求出我理论上输出电容的容值需要有多大

那这个 n 其实就是

我输出的 overshoot

和我输出电压的一个百分比

这个可以根据我们客户实际的系统来设定

S/R 就是我实际负载从重载到轻载的

一个通过率

那有了这几个条件以后

我们就可以得出

我们理论上需要我们的输出电容

大于多少容值

同样的道理

所以当我输出负载从轻载跳重载的时候

这时候我们就要考虑 undershort

undershort 它的意思就是说

当我轻载到重载这个斜率

变化非常快的时候

变化非常快的时候

这时候我的电感电流

来不及跟上这个变化

所以它也会产生一个电荷差

那这个阴影部分就是这个电荷差

它是两个电流的差值和我时间的一个积分

那这个差值就是需要我把电容的容值给加大

来弥补这个电荷差

那这个红色的虚线

其实是一个等效的一个斜率

因为我们知道

电感电流它的爬升肯定不是一根直线

因为它有最小关断时间产生

所以说它会产生一个最小的一个关断时间

来进行下降

那我们就是需要把这一个波形

去等效成一个斜线上升的一个直线

所以我会有这一个公式

就是一个等效的一个斜率曲线

那我们把等效的斜率曲线求出来以后

再代到这个公式里面去

就可以得出我需要的输出电容的一个值

那我们可以通过如下这个公式我们可以计算出

如果当我输出的 undershort

需要在5%的输出电压情况下

斜率是2.5安培每微秒

然后我的最小的关断时间是260纳秒

这样我们就可以求出等效的斜率

然后代入这个公式就可以最终可以求到

我的输出电容是需要大于等于

21.7微法这样个电容值

第三个考虑的就是环路稳定性这个角度

如果需要环路稳定的话

刚才我们讲了这个穿越频率

是需要工作在开关频率的二分之一

其实二分之一也有一点高

其实我们是建议在三分之一以内

是比较保险的

那这样决定好了穿越频率以后

我们就可以通过上面这个公式

上面这个公式基本上都能在手册里面去找到

通过这个公式的计算

我们就可以得出

我们输出电容理论的一个计算值

那通过刚才我的

undershoot overshoot 和环路稳定性

这三点去考虑的话

综合起来去考虑的话

我们选取44微法来做输出电容值

这样是最保险的

那通过刚才我们计算得出的

输出电容的容值

这样我们可以就计算出输出电压的纹波

那输出电压的纹波它其实是

由这三种纹波所组成的

第一种纹波就是由于

我的输出电容上面的ESR

乘上我的电感电流它所形成的一个纹波

其次就是说

由于我输出电感和电容上面的

寄生电感所产生的 ESL

所形成的一个纹波

因为这个纹

因为现在基本上都是用的贴片电容

所以它那个寄生电感也非常非常小

所以这一部分也可以忽略

第三个就是主要是由

我输出电容的充放电所产生的一个纹波

我们可以把刚才输出电容值

代入这几个公式

可以计算叠加得出的结果

它是远远小于30毫伏的一个纹波值

所以就没有问题

所以

从我经验上来看

如果通过前几个因素所选取出来的电容值

基本上它的纹波都是很小的

接下去我们就再看一下输入电容

一般输入电容比较简单

一般我们选10微法就可以了

那最多我们需要看的是

就是说流入这个电容上面的一个均方根值

这个均方根的电流值

我们可以通过这个公式进行计算

那计算出以后我们再根据这个电容的

手册上面可以查到它所容许的

一个均方根的一个电流值

只要不超过那个电流值其实就可以了

那还有一个就是

输入电容我们要考虑它最大耐压

一般来说输入电容的耐压值

我们要选那个最大输入电压的

一个1.5倍到2倍的这样的一个范围内

其次就是说

我们可以通过输入电容的容值

我们可以计算出

输入电压的纹波

我们这里计算出是25毫伏

在12伏的输入电压情况下

那基本也是没有问题的