TPS61253A/E/F：小尺寸、高性能升壓轉(zhuǎn)換器的理想之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的升壓轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)楫a(chǎn)品帶來(lái)穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的 TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 這三款 3.8MHz、5V、4A 的升壓轉(zhuǎn)換器。

文件下載：tps61253f.pdf

一、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍

TPS61253A 和 TPS61253F 的輸入電壓范圍為 2.3V 至 5.5V，而 TPS61253E 的輸入電壓范圍是 2.5V 至 5.5V（啟動(dòng)電壓大于 2.6V）。如此寬的輸入電壓范圍，使得它們能夠適配多種不同的電源，特別是鋰離子電池供電的應(yīng)用。

2. 固定輸出電壓選擇

提供 4.5V、4.7V、5.0V、5.2V 和 5.25V 等多種固定輸出電壓版本，滿足不同負(fù)載對(duì)電壓的需求。

3. 集成雙 FET

內(nèi)部集成了 35mΩ 的低側(cè) FET（LS - FET）和 60mΩ 的高側(cè) FET（HS - FET），有效降低了導(dǎo)通損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

4. 大輸出電流能力

在輸出電壓為 5V 且輸入電壓大于等于 3V 時(shí)，TPS61253A 和 TPS61253F 能夠連續(xù)提供大于等于 1500mA 的輸出電流；TPS61253E 在輸出電壓為 5.25V 且輸入電壓大于等于 3V 時(shí)，也能連續(xù)提供大于等于 1500mA 的輸出電流。

5. 低靜態(tài)電流

輸入靜態(tài)電流僅為 42μA，有助于降低功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

6. 靈活的工作模式

• 自動(dòng) PFM 模式：在輕載時(shí)可提高效率，降低功耗。
• 強(qiáng)制 PWM 模式：使開(kāi)關(guān)頻率在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持恒定，適用于對(duì)開(kāi)關(guān)頻率穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用。
• 超聲波模式：將開(kāi)關(guān)頻率保持在 25kHz 以上，避免產(chǎn)生可聽(tīng)噪聲，適用于對(duì)聲學(xué)噪聲敏感的應(yīng)用。

7. 其他特性

還具備輸出放電功能、±2% 的輸出電壓精度、600μs 的軟啟動(dòng)時(shí)間、打嗝模式短路保護(hù)、關(guān)機(jī)時(shí)負(fù)載斷開(kāi)以及熱關(guān)斷等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

• 智能手機(jī)：為手機(jī)內(nèi)部的各種模塊提供穩(wěn)定的電源，如 NFC PA 供電等。
• 便攜式揚(yáng)聲器：滿足揚(yáng)聲器對(duì)電源的需求，確保音質(zhì)穩(wěn)定。
• USB 充電端口：實(shí)現(xiàn)電池電壓到 5V 的電源轉(zhuǎn)換，為外部設(shè)備充電。
• NFC PA 供電：為近場(chǎng)通信功率放大器提供合適的電源。

三、詳細(xì)功能解析

1. 工作原理

TPS61253x 同步升壓轉(zhuǎn)換器通常在中等到重載電流下以準(zhǔn)恒定的 3.8MHz 頻率進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）操作。采用準(zhǔn)恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式控制方案，實(shí)現(xiàn)了出色的線路/負(fù)載調(diào)節(jié)，并允許使用小型電感器和陶瓷電容器。在輕載時(shí)，可靈活配置為自動(dòng) PFM 模式、強(qiáng)制 PWM 模式或超聲波模式。

2. 啟動(dòng)過(guò)程

• 預(yù)充電階段：設(shè)備啟用時(shí)，高端整流開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，線性地對(duì)輸出電容充電，輸出電流限制為預(yù)充電電流限制 (I_{LIM_DC})，當(dāng)輸出電壓接近輸入電壓時(shí)，預(yù)充電階段結(jié)束。
• 軟啟動(dòng)階段：輸出電容偏置接近輸入電壓后，設(shè)備開(kāi)始開(kāi)關(guān)操作，使用軟啟動(dòng)電壓調(diào)節(jié) FB 引腳電壓，輸出電壓上升斜率跟隨軟啟動(dòng)電壓斜率，達(dá)到標(biāo)稱輸出電壓后，軟啟動(dòng)階段完成，設(shè)備正常運(yùn)行。

3. 功能模式

• 自動(dòng) PFM 模式：輕載時(shí)，電感谷值電流觸發(fā)自動(dòng) PFM 閾值后，進(jìn)入該模式，輸出電壓通常調(diào)節(jié)為重載電壓的 100.8%，延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間以降低開(kāi)關(guān)頻率，提高效率。
• 強(qiáng)制 PWM 模式：開(kāi)關(guān)頻率在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持恒定，負(fù)載電流減小時(shí)，內(nèi)部誤差放大器輸出減小，降低電感峰值電流，減少輸入到輸出的功率傳輸。
• 超聲波模式：獨(dú)特的控制功能，將開(kāi)關(guān)頻率保持在 25kHz 以上，避免聲學(xué)可聽(tīng)頻率，輸出電壓比 PWM 操作高約 1.6%。
• 直通模式：當(dāng)輸入電壓高于 (V{OUT}+0.1V) 且 (V{OUT}) 高于標(biāo)稱輸出電壓時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入直通模式，高端 FET 完全導(dǎo)通，低端開(kāi)關(guān)關(guān)斷，輸出電壓跟隨輸入電壓，存在一定壓降。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與建議

1. 電感選擇

• 選擇飽和電流額定值高于功率開(kāi)關(guān)可能流過(guò)的峰值電流的電感器，可使用公式 (I{L(PEAK)}=frac{V{IN} cdot D}{2 cdot f cdot L}+frac{I{OUT}}{(1 - D)}) 估算電感峰值電流，其中 (D = 1-frac{V{IN} cdot eta}{V_{OUT}})。
• 電感的直流電流額定值應(yīng)比最大輸入平均電流大一定余量，可參考公式 (I{L(DC)}=frac{V{OUT}}{V{IN}} cdot frac{1}{eta} cdot I{OUT})。
• 建議選擇在開(kāi)關(guān)頻率下品質(zhì)因數(shù)高于 25 的電感器，以提高效率。

2. 輸出電容選擇

• 推薦使用小型陶瓷電容器，盡可能靠近 IC 的 (V_{OUT}) 和 GND 引腳放置。若需要使用大電容且無(wú)法靠近 IC，可并聯(lián)一個(gè)小陶瓷電容并靠近引腳放置。
• 可使用公式 (C{MIN}=frac{I{OUT} cdot (V{OUT}-V{IN})}{f cdot Delta V cdot V_{OUT}}) 估算推薦的最小輸出電容值，其中 (f) 為開(kāi)關(guān)頻率（典型值 3.8MHz），(Delta V) 為最大允許輸出紋波。
• 考慮直流偏置效應(yīng)，應(yīng)選擇電容值為計(jì)算最小值兩倍的 MLCC 電容器，輸出電容需采用 X7R 或 X5R 電介質(zhì)。

3. 輸入電容選擇

多層陶瓷電容器是升壓轉(zhuǎn)換器輸入去耦的理想選擇，具有極低的 ESR 和小尺寸。輸入電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置，大多數(shù)應(yīng)用中 4.7μF 的輸入電容已足夠，可使用更大值來(lái)減少輸入電流紋波。使用陶瓷輸入電容時(shí)需注意，若通過(guò)長(zhǎng)電線供電，輸出負(fù)載階躍可能導(dǎo)致 (V{IN}) 引腳產(chǎn)生振鈴，可在 (C{IN}) 和電源之間添加額外的“大容量”電容（電解或鉭電容）。

4. 布局設(shè)計(jì)

• 對(duì)于所有開(kāi)關(guān)電源，布局是設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，特別是在高峰值電流和高開(kāi)關(guān)頻率下。應(yīng)使用寬而短的走線作為主要電流路徑和電源接地軌道。
• 輸入電容、輸出電容和電感應(yīng)盡可能靠近 IC 放置。使用公共接地節(jié)點(diǎn)作為電源接地，另一個(gè)接地節(jié)點(diǎn)作為控制接地，以減少接地噪聲的影響，并在靠近 IC 接地引腳的位置連接這兩個(gè)接地節(jié)點(diǎn)。

五、總結(jié)

TPS61253A、TPS61253E 和 TPS61253F 升壓轉(zhuǎn)換器憑借其寬輸入電壓范圍、多種輸出電壓選擇、大輸出電流能力、靈活的工作模式以及豐富的保護(hù)功能，為電池供電的便攜式應(yīng)用提供了優(yōu)秀的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇電感、電容等外部元件，并注意布局設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮該系列轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品帶來(lái)穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，相信會(huì)取得不錯(cuò)的效果。你在使用類似升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。