TPS5120型双输出同步降压DC-DC控制器
摘要：TPS5120是美国TI公司研制的双输出同步降压DC-DC控制器，它在轻载时可由PWM模式切换至SKIP模式以提高其转换效率。文中介绍了TPS5120的主要性能和参数，给出了基于TPS5120控制器的双路输出DC-DC电源电路和主要设计方法。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/233527.htm关键词：同步降压 DC-DC控制器 TPS5120
1 引言
TPS5120是一款新颖的双输出高效率同步降压DC-DC控制器，在轻负载时，它可由PWM模式切换至SKIP模式，其目的是降低运行工作频率、缩小低端MOSFET的导通时间，以提高轻负载条件下的转换效率。TPS5120的在片1.5A驱动电路可直接驱动低成本N沟道MOSFET；其内部无检流电阻的过流保护电路和恒定高端MOSFET驱动电压源可大大简化DC-DC电源设计。TPS5120的两路输出是相互独立的，它们的相位差是180°，这样既可减少输入电流纹波，还可降低对输入电源容量的要求；它们的软启动时间常数以及电压/电流保护均可分别设定，因此应用极其灵活方便。
2 外型封装与引脚功能
TPS5120采用30脚TSSOP封装，其引脚排列如图1所示，各引脚功能见表1所列。
表1 引脚功能、符号、输入/输出类型
| 符 号 | 引 脚 | I/O类型 | 功 能 说 明 |
| CT | 5 | I/O | 三角波发生器外接电容端 |
| FB1/2 | 2/14 | 0 | 通路1/2误差放大器反馈端 |
| GND | 7 | 控制信号接地端 | |
| INV1/2 | 1/15 | I | 通路1/2误差放大器反相输入端 |
| LH1/2 | 30/16 | I/O | 通路1/2高端栅驱动自举电容上端 |
| LL1/2 | 28/18 | I/O | 通路1/2高端栅驱动自举电容下端 |
| OUT1/2-d | 27/19 | O | 通路1/2低端栅驱动输出端 |
| OUT GND1/2 | 26/20 | 通路1/2MOSFET驱动电容接地端 | |
| POWERGOOD | 12 | O | “电源好”输出端 |
| PWM/SKIP | 4 | I | PWM/SKIP模式换端 |
| REF | 8 | O | 0.85V参考电压源 |
| REG 5V-IN | 21 | I | 外接5V输入端 |
| FLT | 11 | I/O | 故障锁定计时器外接电容端 |
| SOFSTART 1/2 | 3/13 | I/O | 通路1/2软启动电路外接电容端 |
| STBY 1/2 | 9/10 | I | 通路1/2待机控制端 |
| VCC | 24 | 电源输入端 | |
| TRIP 1/2 | 25/23 | I | 通路1/2输出电流控制电路外接电阻端 |
| VREF5 | 22 | O | 5V内部调压器输出端 |
| 5V-STBY | 6 | I | 5V内部调压器控制端 |
| OUT1/2-u | 29/17 | O | 通路1/2高端栅驱动输出端 |
3 TPS5120的内部电路
TPS5120内部主要由参考电压源、PWM电路、误差放大器、输出驱动电路、电压保护、电流保护和软启动等电路组成。
电压保护具有欠压/过压保护功能；电流保护则提供短路和限流保护功能；当超过所设定的保护门限时，器件将立刻关断输出驱动电路，以避免外接功率MOSFET烧坏。
TPS5120的输出状态可由相关引脚XTBY1、STBY2和5V-STBY2来分别设定，其对应关系如表2所列。
表2 TPS5120通路1/2输出状态的选择表
| 5V-STBY | STBY1 | STBY2 | 通路1 | 通路2 | 5V调压器 | POWERGOOD |
| L | L | L | D | D | D | D |
| L | L | H | D | E | E | A |
| L | H | L | E | D | E | A |
| L | H | H | E | E | E | A |
| H | L | L | D | D | E | L |
| H | L | H | F | E | E | A |
| H | H | L | E | D | E | A |
| H | H | H | E | E | E | A |
表中的A表示软启动期间为高电平，D表示禁止，E表示使能，H和L分别表示高电平和低电平。
4 主要性能参数
TPS5120的极限参数如下：
●输入电源电压VCC为-0.3～30.V；
●输入电压：STBY1、STBY2、5V～STBY为-0.3～30V；INV1、INV2、CT、PWM/SKIP、REG5V-IN为-0.3～7V；SOFTSTART1、SOFTSTART2、FLT、POWERGOOD为-0.3V～30V；TRIP1、TRIP2为-0.3～30V。
●输出电压：LL1、LL2为-0.3～30V；OUT1-u、OUT2-u、LH1、LH2为-0.3～35V；OUT1-d、OUT2-d、FB1、FB2为0.3～7V；REF-0.3～3V；
●功耗PD(TA≤25℃)：874mW；
●工作温度范围TA：-20℃～+85℃；
●存贮温度范围Tstg：-55℃～+150℃；
●转换效率（最大值）：95%；
为了使TPS5120能够安全可靠地工作，下面给出推荐的工作条件：
●输入电源电压：VCC为4.5～28V；
●输入电压：REG5V-IN、POWERGOOD通常在为-0.1～5.5V；INV1、INV2、CT、PWM/SKIP、SOFTSTART1、SOFTSTART2小于6V；STBY1、STBY2、5V～STBY小于28V；OUT1-u、OUT2-u、LH1、LH2小于33V；TRIP1、TRIP2为-0.1～28V；
●振荡器工作频率：fosc为300～500kHz；
●工作温度范围TA：-20℃～+85℃。
5 典型应用电路及设计要点
用TPS5120构成的双输出DC-DC电源电路如图2所示，选择合适的外围元器件的参数即可实现所需的输出电压/电流等要求。
5.1 输出电压的设置
TPS5120可通过参考电压和分压器的参数来设置输出电压V0，公式如下：
V0=（R1Vref/R2）Vref
式中：R1=R101A+R101B或R201A+R201B
R2=R103或R203
它们分别为分压器的上端和下端电阻，Vref为内部参考电源电压（其值为0.85V）。
一般在设定输出电压时，先给定R1，再算出R2的值，图2中的R101A和R201A为粗调电阻，R101B和R201B为精调电阻。
5.2 输出电流纹波Iripple
输出电流纹波对开关电源的转换效率和输出电压纹波都有一定的影响，因此，在设计时应加以抑制，其大小为：
Iripple=[V1-V0-I0(rDS+RL)]DTs/Lout
式中：rDS为MOSFET的导通电阻；RL为负载电阻；D为驱动脉冲信号的占空比；Ts为MOSFET的关断时间。
工程上输出电流纹波Iripple主要通过选择输出电感Lout来加以抑制。上式计算出的输出电流纹为峰峰值。
TPS5120每路输出电流的限定值是通过内部的电流源和外接的限流电阻RCI（R107和R207）来确定的，在某些不需要过压/欠压保护的场合，可将FLT端直接接地；另外，再拆掉限流电阻R107、R207及电容C105、C205即可取消限流保护功能。
5.4 布线要点
设计与布线是保证DC-DC电源能够具有优异性能的两个重要方面，因此不可厚此薄彼。对一个输出电流从数毫安至几百毫安的电源而言，布线是一项极其重要的工作，一般程序是从开关端至输出端，然后再回到驱动电路部分，最后是低电平级的电路。而对于应用TPS5210构成的DC-DC电源来说，模拟地与驱动地应先各自汇聚后连在一起，且连接布线应尽呆能宽一些、短一些，以减少共模阻抗所带来的共模干扰。可能的话，可在TPS5120芯片的正下方区域接模拟地，这对干扰信号有一定的屏蔽作用。需要说明的是：TPS5210的输入和输出是“非隔离的”。
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