可調(diào)節(jié) 28V 3A EMI 友好型 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器模塊

電源是任何電子設(shè)備的重要組成部分。 Texas Instruments 的 TPS54302 是一款微型 SOT23-6、高效、5ms 內(nèi)部軟啟動、3A 同步、集成 40mR MOSFET 降壓轉(zhuǎn)換器芯片，具有 4.5V 至 28V 的寬輸入電壓范圍，無續(xù)流二極管和低 EMI 值。這些功能使 TPS54302 成為設(shè)計可調(diào)電源和各種應(yīng)用的絕佳選擇。

該芯片以 400kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行，并嵌入了內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償。 PCB 遵循低阻抗接地路徑，并且環(huán)路面積被最小化，以確保低噪聲和高效率，盡管芯片的引腳排列使得這很難實(shí)現(xiàn)。

電路分析

圖 1 顯示了該設(shè)計的原理圖。 REG是電路的核心。

圖 1：可調(diào) 28V 3A DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖

根據(jù) TPS54302 數(shù)據(jù)表：“TPS54302 器件是一款 28V、3A 同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有兩個集成 n 溝道 MOSFET。為了提高線路和負(fù)載瞬態(tài)期間的性能，該器件實(shí)施了恒定頻率、峰值電流模式控制，可降低輸出電容。優(yōu)化的內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)最大限度地減少了外部元件數(shù)量并簡化了控制環(huán)路設(shè)計。該器件的開關(guān)頻率固定為 400 kHz。 TPS54302 器件在 VIN 為 4.5V 時開始開關(guān)。不開關(guān)且空載時的工作電流為 45μA(典型值)。當(dāng)器件禁用時，電源電流為 2μA(典型值)。集成的 85mΩ 高側(cè) MOSFET 和 40mΩ 低側(cè) MOSFET 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出電流高達(dá) 3A 的高效電源設(shè)計。TPS54302 器件通過集成啟動充電二極管減少了外部組件數(shù)量。集成高側(cè) MOSFET 的偏置電壓由 BOOT 至 PH 引腳上的外部電容器提供。啟動電容器電壓由 UVLO 電路監(jiān)控，并在電壓低于預(yù)設(shè)閾值 2.1V(典型值)時關(guān)閉高側(cè) MOSFET。該器件利用過壓比較器，最大限度地減少過度輸出過壓瞬變。當(dāng)穩(wěn)壓輸出電壓高于標(biāo)稱電壓的108%時，過壓比較器被激活，高側(cè)MOSFET被關(guān)斷并屏蔽導(dǎo)通，直到輸出電壓低于104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流。”””集成高側(cè) MOSFET 的偏置電壓由 BOOT 至 PH 引腳上的外部電容器提供。啟動電容器電壓由 UVLO 電路監(jiān)控，并在電壓低于預(yù)設(shè)閾值 2.1V(典型值)時關(guān)閉高側(cè) MOSFET。該器件利用過壓比較器，最大限度地減少過度輸出過壓瞬變。當(dāng)穩(wěn)壓輸出電壓高于標(biāo)稱電壓的108%時，過壓比較器被激活，高側(cè)MOSFET被關(guān)斷并屏蔽導(dǎo)通，直到輸出電壓低于104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流。”集成高側(cè) MOSFET 的偏置電壓由 BOOT 至 PH 引腳上的外部電容器提供。啟動電容器電壓由 UVLO 電路監(jiān)控，并在電壓低于預(yù)設(shè)閾值 2.1V(典型值)時關(guān)閉高側(cè) MOSFET。該器件利用過壓比較器，最大限度地減少過度輸出過壓瞬變。當(dāng)穩(wěn)壓輸出電壓高于標(biāo)稱電壓的108%時，過壓比較器被激活，高側(cè)MOSFET被關(guān)斷并屏蔽導(dǎo)通，直到輸出電壓低于104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流?！眴与娙萜麟妷河?UVLO 電路監(jiān)控，并在電壓低于預(yù)設(shè)閾值 2.1V(典型值)時關(guān)閉高側(cè) MOSFET。該器件利用過壓比較器，最大限度地減少過度輸出過壓瞬變。當(dāng)穩(wěn)壓輸出電壓高于標(biāo)稱電壓的108%時，過壓比較器被激活，高側(cè)MOSFET被關(guān)斷并屏蔽導(dǎo)通，直到輸出電壓低于104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流?！眴与娙萜麟妷河?UVLO 電路監(jiān)控，并在電壓低于預(yù)設(shè)閾值 2.1V(典型值)時關(guān)閉高側(cè) MOSFET。該器件利用過壓比較器最大限度地減少過度輸出過壓瞬變。當(dāng)穩(wěn)壓輸出電壓高于標(biāo)稱電壓的108%時，過壓比較器被激活，高側(cè)MOSFET被關(guān)斷并屏蔽導(dǎo)通，直到輸出電壓低于104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流?！边^壓比較器被激活，高側(cè) MOSFET 被關(guān)閉并屏蔽開啟，直到輸出電壓低于 104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流?！边^壓比較器被激活，高側(cè) MOSFET 被關(guān)閉并屏蔽開啟，直到輸出電壓低于 104%。 TPS54302 器件具有內(nèi)部 5ms 軟啟動時間，可最大限度地減少浪涌電流?！?

C1、C2 和 C3 是輸入電容器，用于降低噪聲和穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器。 C3(旁路)應(yīng)靠近 VIN 引腳放置。 REG為控制芯片，C4為BOOT引腳電容。 L1 的額定電流至少為 22 μH 至 3.6 A，C5 穩(wěn)定反饋網(wǎng)絡(luò)。 C6、C7和C8穩(wěn)定輸出并降低噪聲。

圖 2 顯示了效率、輸入電壓、輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。有趣的是，最佳效率是在輸出電流約為 1A 時實(shí)現(xiàn)的。盡管輸入電壓(24V)和輸出電壓(3.3V)之間的差異很大，但這并不影響效率。這證明，在持續(xù)高電流使用的情況下，安裝小型散熱器(使用導(dǎo)熱膠)可以增強(qiáng)和拓寬電流/效率圖表。

圖2：效率、輸入電壓、輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系

該芯片向開關(guān)電流信號添加補(bǔ)償斜坡。這種斜率補(bǔ)償可防止占空比增加時的次諧波振蕩?？捎玫姆逯惦姼衅麟娏髟谡麄€占空比范圍內(nèi)保持恒定。此功能改善了控制器的EMI值(EMI 友好)。欠壓鎖定 (UVLO) 功能尚未實(shí)現(xiàn)，因此 EN 引腳保持浮動。

PCB布局

圖 3 顯示了電路的PCB 布局。它是兩層PCB板，所有元件都是SMD。頂層采用無環(huán)路接地布局，輸入/輸出環(huán)路盡可能小。底層幾乎是一個堅實(shí)的地平面(除了兩條軌道)。圖 4 顯示了數(shù)據(jù)表中推薦的 PCB 布局。盡管數(shù)據(jù)表推薦的 PCB 布局在技術(shù)上存在爭議，但芯片引腳排列使得設(shè)計防彈 PCB 變得具有挑戰(zhàn)性。

圖 3：28V 3A DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器模塊的 PCB 布局

底層的長銅跡線通過一些 VIA 將 SW 引腳連接到電感器。 SW 引腳包含狂野的開關(guān)電流，這樣的走線在 PCB 上構(gòu)建了良好的天線，是比平常更高的輻射發(fā)射的良好候選者。這樣的走線必須盡可能短。設(shè)計者可能更喜歡這樣的布局，而不是通過一些VIA連接芯片的GND引腳。

圖 4：數(shù)據(jù)表推薦的布局

圖5顯示了PCB的裝配圖。

圖 5：28V 3A DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器模塊的裝配圖