**關(guān)注“電源先生”，解析開關(guān)電源**

01  / 背景簡(jiǎn)述 /

表 1 TPS54561DPRT參考電路實(shí)例的設(shè)計(jì)需求

圖 1 BUCK轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程

參考[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(3) | BUCK降壓電路芯片選型實(shí)戰(zhàn)指南 ]，我們選擇的非同步BUCK轉(zhuǎn)換器芯片為TPS54561DPRT。

參考[ 從0到1設(shè)計(jì)BUCK(1) | BUCK設(shè)計(jì)流程，從需求定義到PCB布局的九大核心步驟 ]，圖 0.1所示，在確定了BUCK芯片后，首先需要根據(jù)芯片特性進(jìn)行開關(guān)頻率配置，因?yàn)殚_關(guān)頻率是開關(guān)電源中總領(lǐng)全局的參數(shù)，相當(dāng)于一顆大樹的樹干。

圖 2 TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例

圖 2所示，這就是我們后續(xù)將要設(shè)計(jì)完成的TPS54561DPRT電路設(shè)計(jì)實(shí)例。

02  / TPS54561DPRT RT/CLK引腳 /

2.1 恒定的開關(guān)頻率和定時(shí)電阻RT/CLK引腳

圖 3 TPS54561DPRT芯片RT/CLK引腳

圖 3所示，TPS54561DPRT芯片RT/CLK引腳用于配置開關(guān)頻率或者同步外部時(shí)鐘頻率。

通過(guò)在RT/CLK引腳和GND引腳之間放置一個(gè)電阻，TPS54561的開關(guān)頻率可以在100kHz到2500kHz的大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。RT/CLK引腳的電壓通常為0.5V，必須有一個(gè)電阻到地才能設(shè)置開關(guān)頻率。

要確定給定開關(guān)頻率的定時(shí)電阻，可使用公式10或公式11或圖 4曲線。

圖 4 TPS54561DPRT芯片開關(guān)頻率配置曲線

與以較低頻率開關(guān)的電源相比，高開關(guān)頻率允許使用低值電感器和較小的輸出電容（整體的解決方案更?。珣?yīng)考慮轉(zhuǎn)換效率、最大輸入電壓和最小可控接通時(shí)間的權(quán)衡。

可以選擇的開關(guān)頻率受內(nèi)部電源開關(guān)的最小導(dǎo)通時(shí)間、輸入電壓、輸出電壓和頻率折返保護(hù)的限制。

參考文章[ 開關(guān)頻率大小的限制因素是什么？ ][ 占空比大小的限制因素是什么？ ]…

2.2 最大開關(guān)頻率

為了在較高的開關(guān)頻率和輸入電壓下保護(hù)轉(zhuǎn)換器的過(guò)載狀況，TPS54561實(shí)現(xiàn)了頻率折返。當(dāng)FB引腳電壓從0.8 V下降到0 V時(shí)，振蕩器頻率被除以1、2、4和8。

當(dāng)輸出電壓被短路的負(fù)載強(qiáng)制降低時(shí)，電感電流在開關(guān)關(guān)閉時(shí)間內(nèi)緩慢下降。頻率折返通過(guò)（降低開關(guān)頻率）增加開關(guān)周期有效地增加了關(guān)斷時(shí)間，為電感電流提供了更多的時(shí)間來(lái)下降。

在最大頻率折返比為8的情況下，有一個(gè)最大頻率，電感電流可以通過(guò)頻率折返保護(hù)來(lái)控制。

公式12計(jì)算了由最小可控接通時(shí)間和輸入輸出降壓比設(shè)定的最大開關(guān)頻率限制。將開關(guān)頻率設(shè)置在該值以上將導(dǎo)致調(diào)節(jié)器跳過(guò)開關(guān)脈沖，以實(shí)現(xiàn)在最大輸入電壓下調(diào)節(jié)輸出所需的低占空比。

公式13計(jì)算了最大的開關(guān)頻率，當(dāng)VOUT被強(qiáng)制到VOUT(SC)時(shí)，電感電流將保持在控制范圍內(nèi)。選擇的工作頻率不應(yīng)超過(guò)公式12和公式13的計(jì)算值。

03 / 配置開關(guān)頻率 /

應(yīng)使用公式12和公式13來(lái)計(jì)算穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率上限。從這兩個(gè)公式中選擇較低的值結(jié)果。開關(guān)頻率高于這些值會(huì)導(dǎo)致脈沖跳過(guò)或在短路時(shí)缺乏過(guò)電流保護(hù)。

在表 1“設(shè)計(jì)需求”中，輸出電壓為5V，最大輸入電壓為60V，最大負(fù)載電流為5A。假設(shè)續(xù)流二極管電壓為0.7V，功率電感的直流電阻為11mΩ，高邊開關(guān)的導(dǎo)通電阻為87mΩ，電流極限值為6A，短路輸出電壓為0.1V。

注：此時(shí)，續(xù)流二極管、功率電感和高邊開關(guān)MOSFET還未選型，續(xù)流二極管電壓為0.7V、功率電感的直流電阻為11mΩ、高邊開關(guān)的導(dǎo)通電阻為87mΩ相當(dāng)于是期望值。

TPS54561DPRT芯片最小可控導(dǎo)通時(shí)間通常為135ns，這限制了在高輸入輸出降壓比的應(yīng)用中的最大工作頻率，通過(guò)公式12計(jì)算，結(jié)果是公式28，708kHz。

最大開關(guān)頻率也受到頻率折返電路的限制，通過(guò)公式13計(jì)算，結(jié)果是公式29，855kHz。

此例選擇較低的開關(guān)頻率400 kHz，以便在計(jì)算出的最大值以下舒適地運(yùn)行，通過(guò)公式11計(jì)算對(duì)應(yīng)的配置電阻值，結(jié)果是公式30，242kΩ，最接近標(biāo)準(zhǔn)值的電阻是243 kΩ。

04 / 小結(jié) /

這里需要說(shuō)明的是，不同的開關(guān)電源芯片開關(guān)頻率配置所使用的技術(shù)不同，需要參考具體芯片規(guī)格書。參考文章[ 5.5 開關(guān)頻率配置 ]，其中另有LM5088MHX-2/NOPB、LTC3707EGN-SYNC#PBF和ADP3020ARU三個(gè)芯片開關(guān)頻率配置的實(shí)例。