TPS7H4001-SP：輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，尤其是涉及航天等對可靠性要求極高的應(yīng)用場景，輻射加固電源轉(zhuǎn)換器是不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TPS7H4001-SP輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

TPS7H4001-SP是一款經(jīng)過輻射加固保證的7V、18A同步降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了低電阻的高端和低端MOSFET。通過采用電流模式控制，它實(shí)現(xiàn)了高效率和減少組件數(shù)量的目標(biāo)，在眾多對輻射敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，例如空間衛(wèi)星負(fù)載點(diǎn)電源。

二、產(chǎn)品特性

（一）輻射性能卓越

1. 總電離劑量（TID）：輻射加固保證可達(dá)100 krad(Si)，這意味著它在輻射環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的性能，大大提高了在太空等輻射環(huán)境中的可靠性。
2. 單粒子效應(yīng)（SEE）免疫：對(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)的單粒子鎖定（SEL）、單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)糯⊿EGR）免疫，同時(shí)還對單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子功能中斷（SEFI）進(jìn)行了表征，直至(LET =75 MeV - cm^{2} / mg)，為設(shè)備在輻射環(huán)境下的正常運(yùn)行提供了有力保障。

（二）高轉(zhuǎn)換效率

該轉(zhuǎn)換器的峰值效率可達(dá)95.5%（在(V_{O}=1 ~V)、100 kHz條件下），這一高效性能有助于降低功耗，提高能源利用率，延長設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間或減少散熱需求。

（三）寬輸入電壓范圍

其電源軌在VIN引腳處支持3V至7V的輸入電壓，這使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，增加了應(yīng)用的靈活性。

（四）靈活的開關(guān)頻率選項(xiàng)

1. 內(nèi)部振蕩器：內(nèi)置的振蕩器可在100-kHz至1-MHz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的開關(guān)頻率，以優(yōu)化效率和性能。
2. 外部同步：支持100-kHz至1-MHz的外部同步功能，通過SYNC引腳，還可以將4個設(shè)備配置為90°異相的500-kHz時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)并行操作，以滿足更大功率的需求。

（五）精確的電壓參考

不同封裝選項(xiàng)下，具有高精度的電壓參考。例如，對于CDFP、KGD（已知良品芯片）和HTSSOP（QMLP）選項(xiàng)，在溫度、輻射、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)條件下，0.6-V電壓參考的精度可達(dá)±1.5%；對于HTSSOP（SHP）選項(xiàng)，精度為±1.7%。

（六）其他特性

1. 單調(diào)啟動：能夠安全地啟動到預(yù)偏置輸出，避免了啟動過程中可能出現(xiàn)的電壓波動和不穩(wěn)定問題。
2. 可調(diào)節(jié)功能：具備可調(diào)節(jié)的斜坡補(bǔ)償和軟啟動功能，以及可調(diào)節(jié)的輸入使能和電源良好輸出功能，方便用戶進(jìn)行電源排序和優(yōu)化系統(tǒng)性能。

三、應(yīng)用場景

由于其出色的輻射性能和高功率輸出能力，TPS7H4001-SP主要應(yīng)用于空間衛(wèi)星負(fù)載點(diǎn)電源等對輻射敏感且對電源性能要求較高的領(lǐng)域。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，它能夠?yàn)楦鞣N電子設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，確保衛(wèi)星的正常運(yùn)行。

四、詳細(xì)功能分析

（一）工作原理

TPS7H4001-SP采用恒定頻率、峰值電流模式控制，通過內(nèi)部的誤差放大器將VSENSE引腳電壓與內(nèi)部電壓參考進(jìn)行比較，從而控制輸出電壓。這種控制方式不僅提高了線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能，還簡化了外部頻率補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

（二）引腳功能

該轉(zhuǎn)換器具有多種引腳，每個引腳都有特定的功能：

1. VIN和PVIN：VIN為內(nèi)部控制電路供電，PVIN為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供輸入電壓，兩者輸入電壓范圍均為3V至7V。可以通過連接到EN引腳的分壓器來適當(dāng)調(diào)整輸入電壓欠壓鎖定（UVLO）閾值，以提供一致的上電行為。
2. EN：用于控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉，具有內(nèi)部上拉電流源，用戶可以將其浮空以啟用設(shè)備，也可以通過外部電路進(jìn)行控制。
3. RT：通過連接到GND的電阻來配置開關(guān)頻率，支持內(nèi)部振蕩器、外部同步和主 - 從操作三種模式。
4. SYNC1和SYNC2：用于外部同步和設(shè)備的并行操作。在不同的模式下，它們可以作為輸入或輸出引腳，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號的同步和相位調(diào)整。
5. SS/TR：用于軟啟動和跟蹤功能，通過連接外部電容來設(shè)置內(nèi)部電壓參考的上升時(shí)間，避免了啟動時(shí)的浪涌電流，并可實(shí)現(xiàn)電源供應(yīng)的時(shí)序控制。
6. PWRGD：一個開漏輸出引腳，用于監(jiān)測輸出電壓。當(dāng)VSENSE引腳電壓在內(nèi)部電壓參考的94%至106%之間時(shí)，PWRGD引腳懸空；當(dāng)電壓低于91%或高于109%時(shí)，引腳被拉低，表示電源出現(xiàn)故障。

（三）保護(hù)功能

1. 過壓保護(hù)：當(dāng)VSENSE引腳電壓超過過壓保護(hù)閾值時(shí)，高端MOSFET將被關(guān)閉，以防止輸出電壓過沖。只有當(dāng)VSENSE電壓降至閾值以下時(shí)，高端MOSFET才會在下一個時(shí)鐘周期重新開啟。
2. 過流保護(hù)：采用逐周期電流限制，分別對高端和低端MOSFET進(jìn)行過流保護(hù)。當(dāng)檢測到過流時(shí)，會采取相應(yīng)的措施，如關(guān)閉開關(guān)或進(jìn)行電流限制，以避免設(shè)備損壞。
3. 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過190°C（典型值）時(shí)，內(nèi)部熱關(guān)斷電路將強(qiáng)制設(shè)備停止開關(guān)操作；當(dāng)結(jié)溫降至172°C（典型值）以下時(shí)，設(shè)備將重新啟動電源序列。

五、設(shè)計(jì)實(shí)例與參數(shù)計(jì)算

（一）設(shè)計(jì)需求

（二）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 開關(guān)頻率選擇：選擇500 kHz的開關(guān)頻率，因?yàn)樵撜{(diào)節(jié)器可以內(nèi)部生成此頻率，所以如果需要，也可以不使用RT電阻。
2. 輸出電感選擇：根據(jù)公式(L=frac{V{INMAX } - V{OUT }}{I{O} × K{L}} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW}})計(jì)算輸出電感值，其中(K{L})表示電感紋波電流與最大輸出電流的比例。在本設(shè)計(jì)中，取(K_{L}=0.1)，計(jì)算得到電感值為0.9 μH。同時(shí)，要確保所選電感的RMS電流和飽和電流額定值不被超過。
3. 輸出電容選擇：輸出電容的選擇需要考慮輸出電壓紋波、負(fù)載電流變化引起的電壓偏差以及單粒子效應(yīng)的緩解。通過公式(C{OUT }>frac{2 × Delta I{0}}{f{SW} × Delta VOUT })和(C{OUT }>frac{1}{8 × f{SW}} × frac{I {ripple }}{VOUT _{ripple }})分別計(jì)算滿足不同要求的最小電容值，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在本設(shè)計(jì)中，綜合考慮各種因素，選擇了總輸出電容為2 mF，等效ESR約為2 mΩ的電容。
4. 輸入電容選擇：TPS7H4001-SP需要在PVIN和VIN輸入電壓引腳處使用至少4.7 μF的高質(zhì)量陶瓷輸入去耦電容（如X5R或X7R類型），并根據(jù)需要添加額外的大容量電容。通過公式(I{CINrms }=I{0} × sqrt{frac{V{OUT }}{V{INMIN }} × frac{(V{INMIN } - V{OUT })}{V_{IN_MIN }}})計(jì)算輸入紋波電流，以確保所選電容具有足夠的紋波電流額定值。
5. 軟啟動電容選擇：軟啟動電容(C{SS})用于控制輸出電壓在啟動過程中的上升時(shí)間。根據(jù)公式(t{SS}(ms)=frac{0.8 × C{SS}(nF) × V{REF}(V)}{I_{SS}(mu A)})計(jì)算所需的電容值。在本設(shè)計(jì)中，將軟啟動時(shí)間設(shè)置為約2 ms，需要一個10 - nF的電容。
6. 欠壓鎖定（UVLO）設(shè)置：通過外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)整UVLO閾值，使用公式(R{1}=frac{V{START } × frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISHING }}-V{STOP }}{I{p}(1-frac{V{ENFALLING }}{V{ENRISING }})+I{h}})和(R{2}=frac{R{1} × V{ENFALLING }}{V{STOP } - V{ENFALLING }+R{1}(I{p}+I_{h})})計(jì)算電阻值。
7. 輸出電壓反饋電阻選擇：使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)(R{TOP })和(R{BOTTOM })設(shè)置輸出電壓，公式為(R{BOTTOM }=frac{V{REF}}{VOUT - V{REF}} × R{TOP})。在本設(shè)計(jì)中，選擇(R{TOP}=10 kΩ)，計(jì)算得到(R{BOTTOM}=15.32 kΩ)，選擇最近的標(biāo)準(zhǔn)1%電阻15.4 kΩ。
8. 補(bǔ)償組件選擇：采用Type 2B補(bǔ)償方式，設(shè)置交叉頻率為開關(guān)頻率的十分之一。根據(jù)公式(R{3}=frac{2 pi × f{co } × V{OUT } × C{OUT }}{gm{ea } × V{REF } × gm{ps}})和(C{1}=frac{C{OUT } × R{L}}{R_{3}})計(jì)算補(bǔ)償組件的值。

（三）并行操作

TPS7H4001-SP可以配置為主 - 從模式，以提供高達(dá)72 - A的輸出電流。在并行操作時(shí)，需要注意RT引腳的配置、SYNC引腳的連接方式以及補(bǔ)償、軟啟動和使能網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。例如，對于主設(shè)備，RT引腳應(yīng)懸空，以設(shè)置頻率為500 kHz，并將SYNC1和SYNC2引腳配置為輸出引腳；對于從設(shè)備，RT引腳應(yīng)連接到一個電阻，以匹配主設(shè)備的頻率。同時(shí)，所有VSENSE、COMP、SS/TR和EN引腳都應(yīng)連接在一起，并且在計(jì)算相關(guān)組件值時(shí)，需要考慮并聯(lián)設(shè)備的數(shù)量。

六、布局注意事項(xiàng)

（一）整體布局

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，應(yīng)包含一個大面積的頂層接地區(qū)域，并通過過孔將其與內(nèi)部接地層連接，特別是在輸入旁路電容、輸出濾波電容和TPS7H4001-SP設(shè)備下方，以提供良好的熱路徑。

（二）引腳連接

1. GND引腳：應(yīng)直接連接到IC下方的散熱墊。
2. PVIN引腳：需要使用低ESR的陶瓷旁路電容（如X5R或X7R類型）連接到地，并盡量減小旁路電容連接、PVIN引腳和接地連接所形成的環(huán)路面積，以減少噪聲和提高性能。
3. VIN引腳：同樣需要使用低ESR的陶瓷電容連接到地，但應(yīng)連接到相對安靜的模擬接地跡線，而不是PVIN旁路電容的電源接地跡線。
4. PH引腳：作為開關(guān)節(jié)點(diǎn)，輸出電感應(yīng)靠近PH引腳放置，并盡量減小PCB導(dǎo)體的面積，以防止過多的電容耦合。
5. 反饋跡線：應(yīng)遠(yuǎn)離電感電磁干擾（EMI）和其他噪聲源，盡量遠(yuǎn)離電感、相位（PH）節(jié)點(diǎn)和嘈雜的功率跡線。如果無法避免，應(yīng)確保跡線在另一層布線，并使用接地層將跡線和電感隔開。
6. RT和COMP引腳：對噪聲敏感，周圍的組件應(yīng)盡可能靠近IC放置，并盡量縮短跡線長度。
7. 功率跡線：應(yīng)盡量短、直且厚，以降低電阻和電感，提高電源效率。

七、總結(jié)

TPS7H4001-SP輻射加固同步降壓轉(zhuǎn)換器以其卓越的輻射性能、高轉(zhuǎn)換效率、靈活的開關(guān)頻率選項(xiàng)和豐富的保護(hù)功能，成為空間衛(wèi)星等對輻射敏感應(yīng)用的理想選擇。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用場景，仔細(xì)選擇組件和優(yōu)化布局，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。同時(shí)，還可以參考德州儀器提供的相關(guān)文檔和評估模塊，進(jìn)一步了解和應(yīng)用這款優(yōu)秀的電源轉(zhuǎn)換器。