摘要：TPS40057归于TI的TPS4005x系列，是一种高压、宽输入规模的同步整流型降压转换器，它为用户供给了多种可规划功用，广泛运用于模块电源和工业操控等范畴。本文首要介绍了芯片的频率调理、软发动、电压前馈、主功率管电流约束和环路补偿等功用，并规划了依据TPS40057的同步BUCK变换器，经过matlab-simulink闭环仿真以及试验验证了规划的正确性。
TPS40057为用户供给了多种可规划功用，包括软发动、欠压确定、频率调理、电压前馈、主功率管电流约束和环路补偿等。它运用了电压前馈操控技能使其在整个宽输入电压规模内具有很好的线性调整率，然后使体系快速呼应输入电压的瞬态改动。调整器增益根本为常数，不随输入电压的改动而改动，大大简化了环路补偿规划。外部可编程电流门限可供给逐脉冲限流，芯片还带有运用内置计数器操控的打嗝形式，持续长期过载状况时能够有用维护电路。许多长处使其在功率模块，网络通信，工业以及服务器等多种范畴得到运用。
1 芯片管脚功用介绍
TPS4005X的首要特点可归纳为：8～40 V宽输入规模;输入电压前馈补偿;内部7 V基准电压可1%微调;固定频率可规划至1 MHz的电压环操控器;内置主功率管及同步整流管的栅极驱动;外同步功用;过温维护;可编程主功率管电流门限;用户可规划闭环软发动;带有输出预偏置的电流源和电流宿(current sink)。芯片具体内部框图在参阅文献中给出，在此首要介绍各引脚：
BOOST：高侧N沟道MOSFET的栅极驱动电压。BOOST的电压比SW脚的电压高9 V。须在本管脚与同步整流MOSFET的漏极之间加-0.1μF的陶瓷电容。
BP5：5 V参阅电压。此管脚有必要运用-0. 1 μF的陶瓷电容旁路到地。也可为外部直流负载供给小于等于1 mA的电流。
BP10：10 V参阅电压，用于驱动N沟道同步整流管。须加-1 μF的陶瓷电容旁路。可为外部直流负载供给小于等于1mA的电流。
COMP：差错放大器的输出，PWM比较器的输入。反应网络就是接在本管脚和VFB管脚间供给全体回路的补偿。COMP管脚具有内部箝位功用，将电压箝至高于三角波的峰值，这能够改进大信号暂态呼应。
HDRV：用来驱动主功率管。MOSFET导通时，本管脚电压为BOOST脚电压，MOSFET截止时，为SW脚电压。
ILIM：限流管脚，用于设置过流维护阀值。
KFF：用于决议电压前馈量的巨细和欠压确定门限。反应进入本管脚的电流经过内部分流，并用于操控PWM三角波的斜率。
LDRV：N沟道同步整流管的栅极驱动电压。MOSFET导通时，本管脚为BP10脚电压，MOSFET截止时，电压为地。
PGND：芯片电源地参阅电位。本管脚与低侧MOSFET源极间的途径有必要呈低阻抗。
RT：设定内部振荡器的频率以及切换频率。
SGND：芯片信号地参阅电位。
SS/SD：软发动管脚。
SW：本管脚连接到变换器的切换节点(即主管与同步整流管连接点)并用于检测过流。
SYNC：外同步信号输入管脚。用于将振荡器与外部主频率进行同步。
VFB：差错放大器的反相输入端。在正常操作时，其电压应等于内部参阅电压，即0.7 V。
VIN：芯片供电引脚。
2 TPS40057参数规划
开关电源的全体拓扑首要分为中心电路、辅佐电路、维护电路3部分。中心电路是指完成反应操控，生成PWM操控信号的电路，包括振荡器、差错放大器、比较器、锁存器、输出单元。输出的PWM信号的构成还遭到辅佐电路的影响，首要包括软发动和振荡器的时钟信号。维护电路包括欠压维护、过流维护、过温维护以及关断单元等。
2.1 性能指标
输入电压：9 V
输出电压：5 V±2%
输出电流：2A(稳态最大输出)
输出电压纹波：50 mVPP(带宽20 MHz)
负载动态呼应：小于等于200 mV(空载骤变至满载或满载骤变至空载)
动态恢复时刻：200 μs
开关频率：300 kHz
2.2 振荡器
TPS40057具有独立的时钟振荡器和三角波生成电路，时钟振荡器作为三角波生成电路的主时钟。开关频率fSW经过2脚对地接电阻RT完成，RT可由下式核算得到：
若芯片无需外同步，则SYNC脚直接拉低即可。本规划中外部时钟信号经过SYNC端接入信号fSYNC的下降沿来同步芯片时钟信号，外同步频率应当高于fSW的20%左右。
三角波发生器的三角波上升斜率随输入电压线性改动，为PWM比较器供给电压前馈操控，对线性改动做出杰出的呼应，因而PWM能依据输入电压改动直接改动三角波上升率，然后改动占空比，而不用比及输出电压经环路反应后再变，削减整个呼应延迟时刻。PWM三角波每个波头的持续时刻由上拉到VIN的电阻RKEF完成，RKEF值可由以下公式得出：
RKEF=(VIN(MIN)-VKEF)x(58.14xRT(dummy+1 340)Ω (2)
当fSYNC为300 kHz时，fSW取250 kHz，则RT=实践取200 kΩ。若外同步信号脉冲打断了三角波，会引起欠压维护收效，导致PWM输出被封闭。为了正确核算外同步频率下RKEF，这儿引进一个假定的值RT(dummy)，RT(dummy)取170 kΩ，RKEF取值60.5 kΩ。
2.3 软发动
TPS40057运用闭环软发动功用确保输出电压在发动进程中的上升率可控。软发动引脚SS/SD与地之间须接电容CSS/SD用于设置软发动时刻。内部2.3 μA的电流源对CSS/SD充电，在软发动引脚构成逐步上升的电压VSS/SD，当VSS/SD小于125 mV时，芯片操控器界说为关机状况，一切的内部电路都被制止使能;当VSS/SD大于210 mV时，芯片内部电路开端作业;当VSS/SD大于210 mV小于0.85 V时，内部电路被使能，但输出电压仍会下降;当VSS/SD大于0.85 V时，芯片输出驱动，输出电压开端上升;当VSS/SD升高至1.55 V时，芯片输出电压持续上升抵达稳态。VSS/SD减去0.85 V后即为有用软发动参阅电压VSSRMP，差错放大器的同相输入端接VSSRMP，另一同相输入端接0.7 V参阅电压VFR，VSSRMP与VFB中较低者作为用于调理VFB的主导电压，为体系供给准确的闭环软发动参阅。为了合理操控输出电压的上升趋势，软发动时刻tSTART有必要远大于输出滤波电感L和滤波电容C0的时刻常数：tSTART>>2πx
。这儿tSTART取1.5 ms。软发动电容值可由以下公式得出：
其间ISS/SD为软发动充电电流，一般为2.35 μA，则CSS/SD选取4.7 nF。
2.4 过流维护
电流维护引脚ILIM用于设置过流维护阀值，一般接一电阻RILIM到VCC，内置对地电流宿在RILIM上发生必定的压降，此压降与主开关管注册时的漏源极压降做比较，后级差错计数器对过流状况进行呼应。TPS40057具有两层过流维护功用，榜首重维护力逐脉冲维护计划，经过检测主开关管导通时漏源极压差来约束主管上电流。假如主管漏源极压差超越RILIM两头电压差，功率管驱动马上被封闭，直到下一个开关周期到来前都无驱动输出。第二重维护包括一个依据脉冲的差错计数器，过流时计数器加一，不过流时减一，计数器计数值到达7时，芯片进行重启，一起阅历7个软发动周期对其进行初始化。此间主开关管和同步整流管都关断。每阅历一个软发动周期计数器就减一，当减至0时，PWM比较器从头被使能，输出电压正常敞开。假如计数器依然数到7个过流脉冲，芯片又进入第二重维护形式。限流点ILIM可由下式得到
其间，ISINK为电流宿电流，最小为8.5μA，IOC为过流点，一般为输出电流与二分之一电感电流峰值之和。VOS为过流比较器偏置电压，最大为-20 mV。本规划中，ILIM加上二分之一电感电流峰值，并添加30%的容差，即为预期的过流维护点IOC(4.7 A)。考虑到MOSFET的发热，RDS(on)也取添加30%的容差，即0.017 Ω。因而RILIM取值14 kΩ。
2.5 补偿网络
电压形式操控的BUCK变换器一般选用Ⅲ型双极点-双零点补偿网络，如图1所示，这种补偿网络的两个零点能够补偿由输出滤波电路发生的极点引起的相位滞后;两个极点用来抵消输出%&&&&&%ESR引起的零点，第二极点用来确保开环传递函数有一个较好的相位裕量和增益裕量，一起在高频段幅频特性的下降斜率为-40 db/dec，对高频搅扰有杰出的抑制作用。补偿网络的零极点与RC参数的关系为：
这儿取R1=10 kΩ，R2=2 kΩ，R3=510 Ω，C1=330μF，C2=22 nF，C3=4.7 nF，RBIAS=1.5 kΩ。依据各参数不难得到体系的开环和闭环传递函数，运用matlab-simulink对体系进行仿真，得到开环和闭环体系波特图，如图2所示。图3和图4分别为体系开环和闭环的阶跃呼应曲线，可见闭环后体系安稳时刻和超调量明显减小。
3 试验成果
对BUCK变换器进行试验验证，图5为输出电压树立进程，能够看出软发动时刻操控在1.5 ms。图6为负载在满载2 A和空载状况切换时，输出电压纹波的动态呼应，可见输出电压安稳时，纹波峰峰值为50 mV，负载骤变时，输出电压改动量在150～200 mV规模内。图7和图8分别为负载突卸和突加瞬间的动态呼应波形，可见输出电压动态恢复时刻为200μs，契合预期性能指标。
4 结束语
文中首要对TPS40057的功用进行具体阐明，并给出了芯片外围电路首要参数的规划办法，侧重对补偿环路的参数进行了仿真，最终搭建了依据TPS40057的BUCK变换器并进行稳测验，从实践运用的视点验证了芯片功用和规划的可行性。
