摘要
TPS65142器件為筆記本電腦TFT LCD面板的偏置功率和WLED背光提供一種緊湊型解決方案。這種器件擁有一個升壓轉(zhuǎn)換器、一個正充電泵穩(wěn)壓器以及一個負充電泵穩(wěn)壓器，用于驅(qū)動源極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器。為了更加符合TFT LCD系統(tǒng)串擾規(guī)定，有必要為AVDD升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計一個符合要求的閉環(huán)性能。本應(yīng)用報告將對設(shè)計考慮問題進行討論。
1 TPS65142升壓轉(zhuǎn)換器介紹
如圖1所示，按照設(shè)計，TPS65142 AVDD升壓穩(wěn)壓器適用于最高16.5V的輸出電壓，最小開關(guān)峰值電流限制為1.8A。該器件工作在準恒定頻率電流模式方案下，使用內(nèi)部補償來最小化引腳和元件數(shù)目。在650 kHz和1.2 MHz之間，開關(guān)頻率可選。在導(dǎo)通期間，電感器電流上升。當電流達到內(nèi)部GM放大器設(shè)置的閾值時，功率晶體管關(guān)閉。電感電壓極性改變，并前向偏置肖特基二極管，從而讓電流流向升壓穩(wěn)壓器輸出。特定輸入電壓VIN和輸出電壓VS的斷開時間固定不變，因此這些參數(shù)改變時其保持相同的頻率。
固定斷開時間可保持準恒定頻率，這樣，相比傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器，它可在一個較寬的輸入和輸出電壓范圍為系統(tǒng)提供更高的穩(wěn)定性。TPS65142器件的拓撲可提供極為優(yōu)異的負載和線壓調(diào)節(jié)，以及優(yōu)秀的線壓及負載瞬態(tài)響應(yīng)性能。
圖1TPS65142升壓轉(zhuǎn)換器實施
2 TPS65142固定斷開時間小信號電路
就固定斷開時間升壓轉(zhuǎn)換器而言，由于使用連續(xù)電流模式，tOFF時間定義如下：
引入如下采樣保持函數(shù)，以仿真固定斷開時間效果：
那么，可得到誤差放大器輸出到電感器電流的增益：
定義兩個分量如下：
電阻器：
電容器：
控制到電感器電流的等效小信號模型如圖2所示。
圖2控制到電感器電流增益
考慮升壓轉(zhuǎn)換器的平均值模型：
這里，<>意思是一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值。
把小信號失真隔離于平均值：
結(jié)果如下：
由方程式10和圖2，可以推導(dǎo)出圖3所示總小信號電路。
圖3TPS64142升壓轉(zhuǎn)換器的總小信號模型
根據(jù)產(chǎn)品說明書，可得到圖3所示參數(shù)：
3 設(shè)計舉例
設(shè)計規(guī)范如下：
Vin=3.3V；Vout=8.5V；R1=80.6k；R2=12.9k；L1=6.8uH；fs=1.2MHz；RL=64 Ω （12）
根據(jù)圖3所示結(jié)果，可以得到圖4所示仿真模型：
圖4設(shè)計舉例
仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5仿真結(jié)果
圖5表明，交叉頻率為5.3kHz，并且相位余量為63度。
根據(jù)實驗室測試結(jié)果，我們可以獲得如圖6所示結(jié)果。
該測試結(jié)果顯示，交叉頻率為5.5kHz，并且相位余量為66度。
經(jīng)過對比，仿真結(jié)果和測試結(jié)果完全匹配。
圖6實驗室測試結(jié)果
4 外部補償
TPS65142器件使用了內(nèi)部補償，并沒有使用任何外部專用PIN來進行環(huán)路補償調(diào)節(jié)。但是，在一些情況下，例如：串擾問題等，用戶必須對環(huán)路補償進行調(diào)節(jié)。添加兩個外部電容器（C1和C2），與兩個分離電阻器并聯(lián)，如圖7所示。
圖7使用兩個外部電容器C1和C2進行環(huán)路補償
根據(jù)仿真，可以得到如圖8所示波特圖。
圖8仿真結(jié)果
圖8顯示，交叉頻率為6.1kHz，而相位余量則為89度。對比沒有兩個外部電容器的圖5所示仿真結(jié)果，交叉頻率和相位余量都增加了。
關(guān)于外部電容器C1和C2的選擇，可參考如下方程式：
1、 定義兩個電容器的其它零頻率和極點頻率：
2、假設(shè)有和無兩個電容器的測試結(jié)果之間相位差為0，并且fc為目標交叉頻率，則：
另外，根據(jù)該定義，
并且
結(jié)果
3、 根據(jù)方程式13和17，我們可以計算得到電容器C1和C2的值。
5 結(jié)論
本應(yīng)用報告介紹了固定斷開時間升壓轉(zhuǎn)換器的小信號分析，以及TPS65142器件外部環(huán)路補償?shù)慕鉀Q方案。與此同時，我們還通過設(shè)計實例證明了該解決方案的有效性。
6 參考文獻
TI，SLVSAX5A，TPS65142產(chǎn)品說明書