标签: tps65251

  狄：元芳，此波形你怎么看？     元芳：大人，这个波形光滑圆润，看上去是挺好的正弦信号！   狄：嗯，如果是正弦信号，则此图甚好……可，这是DM648的核心1.2V电源，我是取的交流耦合，你看到的是电源上的交流成份……   元芳：……@%*！#￥#！~……   狄：元芳，你对这个电路图有什么看法？       元芳：大人，我查看了TPS65251的数据手册和推荐电路。除了按输出电压调整了反馈电阻外，设定频率的电阻也与推荐值有所不同，输出电感和电容也有些微变化，反馈网络形式和参数与推荐电路一致。TI乃西域名厂，难道产品也有如此大BUG……   狄：元芳，你来看！这是我们的电源需求，对照TPS65251的效率曲线，针对我们的需求，可以分别得到500K和1M开关频率下的电源效率。此产品设计使用年限为3年，每天按使用12小时计算，使用500K开关频率终身可节省电能大约((1.44/0.86)+(0.4/0.90)+(1.39/0.93))*2%*12*365*3/1000=0.3kWh。即便前面开关电源效率只有70%，节省市电也不足0.5度。而如果采用1M开关频率，基本可以对半减小电感体积和电容数量，不但节省更多资源，也为我们节省了很多成本，同时能带来更高的集成度和可靠性。   电源 工作电流 功率 500K效率 1M效率 1.2V 1.2 1.44 87% 86% 1.8V 0.22 0.40 92% 90% 3.3V 0.42 1.39 95% 93%   元芳：原来是这样！之前我一直希望不断的提高电源效率，原来一味的追求效率未必真的是对社会有益啊！需要均衡节省的电能和由此投入的资源才行……   狄：……（捋胡子……）   元芳：不过，大人，元芳还是不明白这个1.2V的电源，怎么会有200mV以上的峰峰噪声呢？以往我接触的开关电源纹波都是与开关频率一致的，而且一般只有几十mV。   狄：元芳，今天天色已晚，哥哥辛苦了一天，明天再与你道来……    元芳，你对此电路有何看法？（1） 元芳，你对此电路有何看法？（2） 元芳，你对此电路有何看法？（3） 元芳，你对此电路有何看法？（4） 元芳，你对此电路有何看法？（5） 元芳，你对此电路有何看法？（6） 元芳，你对此电路有何看法？（7-终结）  

元芳：大人！大人醒醒！   狄：元芳……我怎么会在这？（从一堆仪器和电路板中爬起）   元芳：大人昨夜三更就从寝室来到工作室……接通了所有仪器和单板……   狄：（看着地上一团团的草纸画满了各种符号）唔……看来又夜游了……   元芳：大人，昨天的波形……元芳还是十分困惑，大人可否明示？   狄：元芳，在你看来，什么情况下会导致这样的电源波动呢？   元芳：最常见就是输出电感和电容选择不当，电感额定电流不足会导致电感饱合，这种情况大多波动很大，而且波形往往不圆润；输出电容太小或电容 ESR 太高也会导致纹波较大。这两种情况是初入江湖者易犯通病，大人肯定不会出此错误。而且此两种情形纹波与开关频率必然一致，与元芳所见波形绝无相似，这其中必有隐情！   狄：元芳，你越来越独道了！   元芳：大人，难道是负载端周期性的电流波动？   狄：如果是其他单板也就罢了，此板主要耗电就是一片 DM648 ，板上并无大的周期性需求变化。元芳，你可知道零极点？   元芳：大人，元芳入世之前听说江湖传言，据说学好零极点便可独步江湖！也顺便学得一二，但只知复杂大功率电源系统会用得到，难道我们这样高集成的电源芯片竟也与此有关？   狄：元芳，你来看这个图。     元芳：此图是 TPS65251 的完整反馈回路，“ gm=130u ”运放是电流型误差运放，为 TI 开关电源所惯用，“ Current Sense ”是开关电源输出电流相对误差比较器输出电压变化的等效模型， C O 与 R ESR 分别是输出电容的容值和等效串联电阻， R L 是等效负载。 R 1 与 R 2 分别是用于电压设置的反馈电阻。 R C 、 C C 、 C ROLL 是补偿网络。不过，大人，这个 C ff 元芳不清楚其用意。大人，元芳略知各块所指，但面对这整个环路图，元芳是一头雾水。   狄：元芳莫急！你先看能否指出此图中零极点分布情况！   元芳：……大人，元芳对此稍有生疏，请待元芳回房翻阅宝鉴，明天再来答复大人。   元芳，你对此电路有何看法？（1） 元芳，你对此电路有何看法？（2） 元芳，你对此电路有何看法？（3） 元芳，你对此电路有何看法？（4） 元芳，你对此电路有何看法？（5） 元芳，你对此电路有何看法？（6） 元芳，你对此电路有何看法？（7-终结）  

上接： 元芳，此电路你怎么看？（2）     元芳：大人，元芳这两天有些忙，闲下的时候就看这个电路，却难看出其中有几个零极点……还请大人明示…… 狄：江湖侠士刚学零极点往往难得要领。第一重是停留在理论阶段，往往学而不知所用；需要不断思考总结，等学到第三重，便可大致知晓实践中的关联；第五重则能依据电路列出总的环路增益，然后从中找出零极点；等学到顶重第七重，则察图而零极点毕现。 元芳：……（思绪如同草原上撒欢的小马……） 狄：元芳，此图**有 3 个零点和 4 个极点！你来看，我给你列出此图中零极点……（伏案执笔半刻……） (PS：如看不清图片，请点击文章下方的附件下载~~) 元芳：多谢大人提点，元芳已然受益颇丰……只是，大人的字还有版书好像有些…… 狄：元芳，你我江湖中人，传道解惑何必拘于形式，草草写来，点其精要则足矣，再提此翻末节，扣除此月俸禄！ 元芳：元芳不敢！待元芳将此卷收藏，夜半难寐时拿来修习！ 狄：你且拿去修习，待他日我再讲与你此案中如何布局零极点，才能满足系统可靠性需求。时辰不早，先去休息吧……   元芳，你对此电路有何看法？（1） 元芳，你对此电路有何看法？（2） 元芳，你对此电路有何看法？（3） 元芳，你对此电路有何看法？（4） 元芳，你对此电路有何看法？（5） 元芳，你对此电路有何看法？（6） 元芳，你对此电路有何看法？（7-终结）  

    元芳：大人，元芳寻大人几日不见，甚是担心。今太平盛世，无案可断，想必大人又是去修研电路？ 狄：最近宫里的案子快结了，我去垒了几天代码，今天得空出来再与你说一下之前零极点的案子。元芳，你可知其中补偿目的何在？ 元芳：开关电源实际也是一个负反馈系统，输入输出电压、输出电流以及输出电感、电容的差异都会导致整个反馈环路的增益、相位变化，可能使系统不稳定，甚至产生振荡。像我们这个案子中的输出波形就很像系统产生了振荡。 狄：正是如此。那你可知上次我们讨论的 3 个零点和 4 个极点所代表的意义？ 元芳：大人，我根据上次你的讲解，对照模型标出了各个零极点的位置，其中 Z1 和 P1 是由输出电阻和滤波电容需求决定。其中 C o 是输出滤波电容的容值和， R ESR 是滤波电容的等效串阻，我们的电路中是使用 2 个 10uF/0603 的瓷片电容， R ESR 大概是 5m Ω。 R L 是等效负载，我们使用的 DSP 此路平均电流是 1.2A ，电压是 1.2V ，所以 R L 是 1 Ω。其他零极点元芳猜测是根据这 Z1 与 P1 进行的设置。但具体如何设置我就不得其道了。 狄：元芳，这几天你果然精进，见你这几日功课做的足备，我也放心了。正如你所说，其余 3 个极点和 2 个零点正是根据 Z1 和 P1 的频点进行设置。至于如何设置补偿用的零极点，说来话长……元芳，你看那边夜色压了过来，想必到了做梦的好时辰……（哈欠中……） 元芳：大人，元芳还有一事不明，几日寝食难安，还忘大人先指点一下。我见此电路中有阻容参数，却独没有电感。电感对环路的影响十分大，但此图中却……该不会是此图有误？？ 狄：元芳，你有所不知。开关电源主要分两类，一类是电压模式，一类是电流模式。此芯片正是电流模式，该模式优点之一便是在小信号分析时不考虑电感，芯片控制图中的 i L 的值，所以串在通路中的电感可以在计算和模型中去掉。具体情况可以翻阅《开关电源设计》（电子工业出版社）。但这并不意味实际电路中没有电感，关于电感还有电容值的计算，日后有机会再与你讲来。 元芳：原来如此！多谢大人，元芳今夜终于可以安心入睡了！ 狄：丑时将近，抓紧睡觉！   元芳，你对此电路有何看法？（1） 元芳，你对此电路有何看法？（2） 元芳，你对此电路有何看法？（3） 元芳，你对此电路有何看法？（4） 元芳，你对此电路有何看法？（5） 元芳，你对此电路有何看法？（6） 元芳，你对此电路有何看法？（7-终结）    

元芳，你对此电路有何看法？（5）   元芳：大人，上次您给我指出了案件中的零极点分布，案情各个要素已经显露出来，但元芳还是一时还是无法理清整个案子的来龙去脉，还请大人明示！ 狄：元芳，你来看。在整个反馈网络中，芯片内部的电路决定了参考电压和运放的增益，这些是在我们选择芯片之后就已经决定了，我们无法更改的。另外，我们的输出电压和电流是系统需求决定的，也就是我们根据 RL 的值来设计整个反馈网络，所有的一切都是围绕 RL 来进行调整。 元芳：原来这么复杂的一堆网络，源头在这里啊，这就是一切动机所在了？ 狄：不错……首先由输出功率我们可以得到 RL ，然后我们需要自己设置一个值“ KIND ”来计算输出电感。“ KIND ”表示电感内电流的波动值（开关时电流差）与最大电流（设计输出电流）的比，一般是取 0.1-0.3 。 元芳：大人，此 KIND 值取法上可有何依据？ 狄： KIND 值越小则电流越稳，但对器件参数要求高，往往需要大的电感值，另外还需要大的输出滤波电容配合才能起到好的效果，成本会比较高；而 KIND 值越大则电流波动峰值较大，电感值一般比较小，但电流峰值会比较大，也就提高了对电感最大电流的要求，成本也可能会比较高，如果后面滤波力度不够，会产生较大的电压纹波。所以我们一般会根据我们的应用来估取一个 KIND 值。比如我们的开关电源直接输出给一个模拟电路供电，这个模拟电路虽然对电源要求不是特别苛刻，但也对纹波有较高要求，这时我们就可以取 KIND 值比较小，这样虽然电感大一些，可由此带来的成本增加相对一颗单独的 LDO 来说还是划算的；另外，如果我们的电路只给数字电路供电，而这个数字电路整体对电源纹波要求不高，同时电路所需电流比较小，这时就可以选 KIND 值大一些，这样可以选小一些的电感。另外还有一种情形，像在我们的应用中，往往需要多颗电感，如果每个电感都取计算好的值，一方面未必有恰好的型号，另一方面多器件库存维护也会增加成本。于是我们往往需要对电感值进行折衷，折衷时就要考虑这个 KIND 值对系统的上述影响。 元芳：原来如此……看来元芳学习电子长路漫漫…… 狄：哈哈，学电子乃厚积薄发，重在平时积累，勤于思考与实践，不能着急……取好了 KIND 值就可以选定输出电感值。然后根据这个电流波动和我们的输出电压纹波来计算出输出的滤波电容 C O 。这个电压纹波是我们设计时根据各芯片及模块的电源信息提出的一个设计指标，为达到这个指标，我们可以得到 C O 的值。于是由输出电压电流我们确定了 RL ，由电压纹波指标我们可以取到输出电感 L O 和输出滤波电容 C O 。 L O 在电流型开关电源中是串在回路中，小信号分析中是不计的，这也是电流型开关电源一个非常大的特征——简化了反馈网络设计。而 C O 的值以及材质封装决定了 R ESR ，于是，从系统上看 P1 与 Z1 已经出现了。后面我们所有的补偿网络都是围绕这个 P1 与 Z1 进行补偿的。 元芳：原来是这样，也就是说我们的设计需求确定了 P1 的位置，选用的电容类型确定了 Z1 的位置，为使系统稳定，我们后面人为增加了一些零极点。 狄：确是如此！银月如勾，繁星凝眸，且勿辜负了此良辰美景……元芳，改日再与你说其他点是如何设计的。 回房间叫上小乔 姑娘 ，到广寒宫里畅饮两杯……   元芳，你对此电路有何看法？（1） 元芳，你对此电路有何看法？（2） 元芳，你对此电路有何看法？（3） 元芳，你对此电路有何看法？（4） 元芳，你对此电路有何看法？（5） 元芳，你对此电路有何看法？（6） 元芳，你对此电路有何看法？（7-终结）