基于TPS40057的BUCK变换器

摘要：TPS40057属于TI的TPS4005x系列，是一种高压、宽输入范围的同步整流型降压转换器，它为用户提供了多种可设计功能，广泛应用于模块电源和工业控制等领域。本文主要介绍了芯片的频率调节、软启动、电压前馈、主功率管电流限制和环路补偿等功能，并设计了基于TPS40057的同步BUCK变换器，通过matlab-simulink闭环仿真以及实验验证了设计的正确性。

TPS40057为用户提供了多种可设计功能，包括软启动、欠压锁定、频率调节、电压前馈、主功率管电流限制和环路补偿等。它运用了电压前馈控制技术使其在整个宽输入电压范围内拥有很好的线性调整率，从而使系统快速响应输入电压的瞬态变化。调整器增益基本为常数，不随输入电压的变化而改变，大大简化了环路补偿设计。外部可编程电流门限可提供逐脉冲限流，芯片还带有利用内置计数器控制的打嗝模式，持续长时间过载状态时可以有效保护电路。诸多优点使其在功率模块，网络通信，工业以及服务器等多种领域得到应用。

1 芯片管脚功能介绍

TPS4005X的主要特点可概括为：8～40 V宽输入范围;输入电压前馈补偿;内部7 V基准电压可1%微调;固定频率可设计至1 MHz的电压环控制器;内置主功率管及同步整流管的栅极驱动;外同步功能;过温保护;可编程主功率管电流门限;用户可设计闭环软启动;带有输出预偏置的电流源和电流宿(current sink)。芯片详细内部框图在参考文献中给出，在此主要介绍各引脚：

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参考电压。此管脚必须使用-0. 1 μF的陶瓷电容旁路到地。也可为外部直流负载提供小于等于1 mA的电流。

BP10：10 V参考电压，用于驱动N沟道同步整流管。须加-1 μF的陶瓷电容旁路。可为外部直流负载提供小于等于1mA的电流。

COMP：误差放大器的输出，PWM比较器的输入。反馈网络便是接在本管脚和VFB管脚间提供整体回路的补偿。COMP管脚具有内部箝位功能，将电压箝至高于三角波的峰值，这可以改善大信号暂态响应。

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，用于设置过流保护阀值。

KFF：用于决定电压前馈量的大小和欠压锁定门限。反馈进入本管脚的电流经过内部分流，并用于控制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：芯片电源地参考电位。本管脚与低侧MOSFET源极间的路径必须呈低阻抗。

RT：设定内部振荡器的频率以及切换频率。

SGND：芯片信号地参考电位。

SS/SD：软启动管脚。

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：误差放大器的反相输入端。在正常操作时，其电压应等于内部参考电压，即0.7 V。

VIN：芯片供电引脚。

2 TPS40057参数设计

开关电源的整体拓扑主要分为核心电路、辅助电路、保护电路3部分。核心电路是指实现反馈控制，生成PWM控制信号的电路，包括振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、输出单元。输出的PWM信号的形成还受到辅助电路的影响，主要包括软启动和振荡器的时钟信号。保护电路包括欠压保护、过流保护、过温保护以及关断单元等。

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)

负载动态响应：小于等于200 mV(空载突变至满载或满载突变至空载)

动态恢复时间：200 μs

开关频率：300 kHz

2.2 振荡器

TPS40057拥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通过2脚对地接电阻RT实现，RT可由下式计算得到：

若芯片无需外同步，则SYNC脚直接拉低即可。本设计中外部时钟信号通过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变化，为PWM比较器提供电压前馈控制，对线性变化做出良好的响应，因此PWM能根据输入电压变化直接改变三角波上升率，从而改变占空比，而不必等到输出电压经环路反馈后再变，减少整个响应延迟时间。PWM三角波每个波头的持续时间由上拉到VIN的电阻RKEF实现，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=实际取200 kΩ