詳解TPS5432x/62x, TPS54x18/x19低電壓輸入下電二次啟動(dòng)問題

摘要

TPS5432x/62x 是德州儀器推出的4.5V~17V 寬電源電壓輸入范圍，輸出電流最高可達(dá)6A的同步降壓SWIFT™系列轉(zhuǎn)換器，TPS54x18/x19 是2.95V~6V 窄電源電壓輸入范圍，輸出電流最高可達(dá)7A 的同步降壓SWIFT系列轉(zhuǎn)換器。該系列器件都具有熱性能增強(qiáng)的QFN 小體積封裝，專為板級(jí)空間要求苛刻的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，其內(nèi)部集成的高邊和低邊MOSFET 大大增強(qiáng)了其轉(zhuǎn)換效率并具有逐周期限流的過流保護(hù)機(jī)制。但該系列器件在實(shí)際低電壓輸入應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)下電時(shí)輸出二次啟動(dòng)的現(xiàn)象，本文以TPS54622 器件為例，針對(duì)該問題的產(chǎn)生原因進(jìn)行了研究分析并給出了相應(yīng)的解決方案，徹底消除了輸出電壓過沖問題，拓寬了TPS5432x/62x 系列和TPS54x18/x19 系列的應(yīng)用范圍。

1 TPS54622 輸出二次啟動(dòng)問題簡(jiǎn)介

TPS54622 是德州儀器推出的4.5V~17V 寬電源電壓輸入范圍，輸出電流可達(dá)6A 的同步降壓SWIFT™系列轉(zhuǎn)換器。該器件具有熱性能增強(qiáng)的3mmx3mm QFN 小體積封裝，專為板級(jí)空間要求苛刻的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，其內(nèi)部集成的高邊和低邊MOSFET 大大增強(qiáng)了其轉(zhuǎn)換效率并具有“打嗝式”(Hiccup)的過流保護(hù)機(jī)制。但該器件在實(shí)際使用過程中，低電壓輸入時(shí)（例如5V~6V 輸入）輸出電壓在下電過程中會(huì)出現(xiàn)多次過沖，最高尖峰幅值在負(fù)載為恒阻模式(CR Mode)下可達(dá)約1V，有可能影響供電后端微控制器及處理器的正常工作。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測(cè)試抓取的TPS54622 輸出波形如圖1-a，圖1-b 所示，整個(gè)測(cè)試框架示意圖如圖2所示，測(cè)試電路原理圖如圖3 所示。實(shí)際測(cè)試中使用TPS54622 的評(píng)估板 (TPS54622EVM-012)作為被測(cè)對(duì)象，測(cè)試條件如下：
①輸入電壓VIN=5.0V
②輸出電壓VOUT=3.3V
③輸出電流IOUT=3A，使用電子負(fù)載分別設(shè)定為恒流和恒阻模式進(jìn)行測(cè)試

在圖1-a 和圖1-b 中，VIN 代表輸入電壓波形，VOUT 代表輸出電壓波形，VEN 代表使能端波形，VPG代表芯片電源正常(Power Good)引腳波形。從圖1-a 和圖1-b 中可以看出輸入電壓下電后，輸出電壓VOUT 沒有立即變?yōu)?V，而是經(jīng)過多次波動(dòng)后才降為0V。實(shí)際測(cè)試恒阻模式下過沖尖峰高達(dá)0.86V，這種輸出尖峰將大大干擾從此電壓獲取電源的MCU 及處理器的正常工作，使本已下電停機(jī)的MCU 或處理器再次啟動(dòng)，影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，這在系統(tǒng)電源軌為0.9V、1.2V 等環(huán)境下表現(xiàn)的更為嚴(yán)峻。因此，為達(dá)到TPS54622 的電壓使用范圍（芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)稱工作范圍為4.5V~17V），有必要對(duì)此問題進(jìn)行深入分析并找到變通的解決方法。

2 TPS54622 輸出過沖尖峰問題根源分析

從圖1a 和圖1b 中可以看出，當(dāng)輸入下電，芯片關(guān)斷之后，由于輸入電流在輸入引線上產(chǎn)生的壓降消失，同時(shí)由于線路上寄生電感的作用，導(dǎo)致輸入電壓會(huì)升高，從而導(dǎo)致了的芯片的二次啟動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，關(guān)鍵是要提高TPS54622 的欠壓關(guān)斷的回差電壓。

TPS54622 具有EN 使能引腳并具有遲滯功能，使能電壓上升閾值典型值為1.21V，下降閾值典型值為1.17V，回差電壓為40mV。同時(shí)芯片內(nèi)部使能引腳EN 內(nèi)部上拉電流源ih 可以用來靈活調(diào)節(jié)欠壓保護(hù)的回差電壓，通過圖4 的兩個(gè)外接電阻病通過調(diào)節(jié)電阻的阻值就可以靈活的設(shè)定輸入欠壓保護(hù)的遲滯電壓。

TPS54622 輸入VIN UVLO 閾值電壓設(shè)置在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出了三種配置，考慮到用戶的實(shí)際使用情況，往往將PVIN 和VIN 短接到一起，本文閾值電壓設(shè)置如圖4 電路所示，計(jì)算公式如式1、式2。

可以看出，通過改變電阻R1 和R2 的阻值，可以獲得不同的Vstart 和Vstop 的電壓，因此也就可以獲得期望的回差電壓Vstart – Vstop。在本文的測(cè)試電路中，設(shè)定VIN 約為4V 時(shí)，使VEN_RISING約為1.2V，所選取的分壓電阻R1=100kΩ， R2=47kΩ。

但是由于TPS54622 VIN 輸入電壓范圍為4.5V~17V，VIN 內(nèi)部UVLO 上升電壓閾值典型值為4V，遲滯回差電壓典型值為150mV。當(dāng)輸入電壓較低的時(shí)候，例如5V 輸入，考慮到實(shí)際的5V 電壓可能會(huì)有一定的誤差，所以使能引腳EN 的啟動(dòng)電壓必須低于5V（如4.5V），但這樣留給使能引腳EN 做回差的空間就很小，所以很難通過設(shè)定使能引腳EN 的電阻值來獲得足夠的回差范圍。另外從前面VIN UVLO 的介紹中也可以看出芯片自身的UVLO 回差電壓也不夠大（典型值150mV），這樣就不可避免的產(chǎn)生第1 節(jié)描述的問題。

3 消除輸出過沖的解決方法

前面已經(jīng)分析了導(dǎo)致輸出二次啟動(dòng)產(chǎn)生尖峰的根本原因在于低壓輸入條件下有限的回差電壓空間以及輸入VIN UVLO 功能的作用使得使能引腳EN 在芯片下電時(shí)沒有立即低于門限電壓，而是反復(fù)波動(dòng)幾次導(dǎo)致了TPS54622 的二次啟動(dòng)，因此，解決此問題的思路就是想辦法在芯片下電時(shí)強(qiáng)制將使能引腳EN 拉低低于關(guān)斷門限電壓，徹底關(guān)閉芯片輸出，從而消除二次啟動(dòng)帶來的輸出尖峰。

本變通解決方案在原有EVM板電路基礎(chǔ)上增加了RPG、CPG 和DPG 三個(gè)元件，由于TPS54622 具有電源正常(Power Good, PG)輸出指示功能，且當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓輸出的92%或高于穩(wěn)壓輸出的106%時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)PG 引腳使其拉低。本方案的思路是利用電容兩端電壓不能突變的原理，在PG 引腳和使能EN 引腳之間跨接一無極性電容器，當(dāng)輸出電壓跌落低于穩(wěn)壓值的92%時(shí)，PG 引腳變低，同時(shí)將使能EN 引腳拉低，從而在輸入電壓反彈的時(shí)間段內(nèi)能夠保證使能EN 引腳電壓低于開啟電壓，徹底關(guān)閉芯片輸出。由于PG 引腳為漏極開路結(jié)構(gòu)，電阻RPG 用于上拉PG 引腳，取值為10kΩ~100kΩ 之間，電容CPG 取值為1uF 即可，取值過大需要較長(zhǎng)放電時(shí)間，過小無法將使能EN 引腳徹底關(guān)閉。

因此，節(jié)點(diǎn)②處的電壓理論上瞬間將會(huì)跳變?yōu)?1.436V，實(shí)際測(cè)試該節(jié)點(diǎn)電壓約為-0.9V（如圖6所示）。該負(fù)電壓超出了器件手冊(cè)規(guī)定的最大極限值-0.3V 的范圍，會(huì)造成芯片損壞。為了避免該情況的發(fā)生，節(jié)點(diǎn)②處的EN 使能引腳需要對(duì)地增加一反向肖特基二極管DPG 進(jìn)行電壓鉗位保護(hù)。

最終本電路在相同測(cè)試條件下測(cè)試波形如圖7 所示。從圖7 中可以看出VOUT 在下電之后由于EN引腳被徹底拉低使得芯片完全關(guān)閉輸出，從而徹底消除了輸出尖峰問題。

值得注意的是，由于增加一個(gè)電容連接在EN 引腳，上電時(shí)有一定的電容充電時(shí)間，從而會(huì)引起輸出電壓的延遲，實(shí)際測(cè)試的延遲時(shí)間對(duì)比圖如圖8 所示，從圖中可以看出，采用本解決方法后會(huì)增加約50ms 的輸出延遲時(shí)間。

4 結(jié)論及總結(jié)

本文研究了TPS54622 在低電壓輸入情況下輸入電源下電后輸出電壓出現(xiàn)二次啟動(dòng)并產(chǎn)生較大尖峰問題，并且該問題實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)同樣存在于TPS5432x/62x 系列和TPS54x18/x19 系列器件中。本文對(duì)該問題產(chǎn)生的根源進(jìn)行了分析并給出了一種消除該尖峰的簡(jiǎn)便易行解決方法，實(shí)際測(cè)試該方法徹底消除了下電后輸出電壓的二次啟動(dòng)過沖尖峰現(xiàn)象。