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[参考译文] TPS43061：具有环路补偿的超低 ESR 输出电容触发过流保护。

admin
Guru**** 1135610 points
Other Parts Discussed in Thread: CSD87350Q5D, TPS43061
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1260993/tps43061-ultra-low-esr-output-capacitance-with-loop-compensation-triggers-overcurrent-protection

器件型号：TPS43061
主题中讨论的其他器件：CSD87350Q5D、

我将使用 CSD87350Q5D 电源块的 MOS、设计效率高达96%的12V 21.8A 输入20V12.5A 输出升压电源。

设计开关频率约为820kHz (实际值790kHz)、电流限制为2MR (D=40%时为35.6A)、文章末尾给出了详细的计算参数。

PCB 布局↓μ F、所有高电流迹线都使用1x1mm 铜带来扩展载流能力。

输出电容为：

  2xGCM32EC71E226KE36L： 22uF±10% 25V X7S (20V：-47%/11.6uF 900k：3MR Tc20C -0.8MHz：5A)
  1个 TMK325B7226KM-X7R：   22uF±10% 25V PR (20V：-82.9%/3.7uF 950K：3MR Tc23C -1MHz：4.4A)
  用于高电流输出的2x100uF 35mR 极化固态电容器
  1x22uF 未知的 MLCC 模型、他能够衰减测试中的纹波尖峰
  总容量232uF、ESR 0.9mR、纹波电流14A

已计算并实际使用的环路补偿参数、

  R_COMP=27.17k (30k)

  c_comp=9.10n (10n)

  c_hf=30.24p (33p)

  这些值通过了 Webench 功率检查和仿真。


然而、该环路补偿参数的实际测试结果是发生过流保护。

2MR 电流检测电阻上出现107mV 峰值(下图1)、

SS 电容器上出现了再充电(下面的图2)、

和 SW 长时间波形(下面的图3)

HS 控制波形、LS 控制波形和 SW 波形

都是正常的、但触发过流保护、

但是、由于电流保护引起的欠压、占空比会发生变化。

如果将 COMP 值更改为：

  R_COMP=30k

  c_hf=10n

  C_COMP=33p

  通过交换 C_HF 和 C_COMP、电源可以稳定地输出20V10A。

  但是、Webench 警告称该补偿值未通过检查、表明相位裕度过低。

这是另一个配对 C_COMP 和 C_HF 电流检测波形的测试板。

开关频率为940k、

在理论计算下使用环路补偿参数时、也会出现上述问题。

2MR 电流检测电阻器仅有58mV 的峰值(图1)

我想问是什么原因造成了这种情况？ 以及如何解决该问题。

  当使用接近理论计算值的 COMP 组件参数时、检测电流为100mV 时、为什么峰值电流约为50A？

  此外、我正在使用一组理论上无法稳定的值、但我可以保持稳定的10A 输出呢？

之前我还设计了一个针对 TPS43061的测试板。

  它使用了 CKG57NX7R1H476M500JJ 双层电容器、

  两个并联的电容器可得到一个大小为66uF 5MR 左右的低 ESR 输出电容器、以及一个额外的330uF 固态电容器来提供输出电流。

  使用计算得出的 COMP 补偿参数、可在不触发过流保护的情况下使输出保持稳定。 

C_OUT_LIST = [
    [11.6 * uF, 3 * mR],
    [11.6 * uF, 3 * mR],
    [3.3 * uF, 3 * mR],
    [5 * uF, 20 * mR],
    [100 * uF, 35 * mR],
    [100 * uF, 35 * mR],
]
        
===== DESIGN =====
V IN = 12.00V [11.80V~12.30V]     
I IN = 21.72A
POUT = 20V 12A
EMAX = 96.5%(-8.84W)
===== BOOST =====
Duty = 40% [38%~41%]
SW   = 823kHz MAX:2357kHz
RT   = 69.82kΩ
===== IND =====
L  = 0.80uH(0.82)
I  = 21.21A rms:21.31A peak:24.88A
RS = 2.00mΩ(<2.11mR) 2.59W        
CURRENT LIMIT = 35.65A(>33.75A)   
IND TD = 1.903W
===== MOS =====
I gd   = 23.39mA
P COND = HS:1.339W LS:0.392W      
P LOSS = SW:0.376W DT:2.238W      
TDP = 4.344W
===== CAP =====
V IN RIPPLE    = 37mV(60) 0.3%    
C IN           = 30uF(7.39)       
V OUT RIPPLE   = 26mV(200) 0.1%   
C OUT          = 232uF(31.13)     
C OUT ESR      = 0.90mΩ (6xCap)   
C OUT I RIPPLE = 10.60 A
===== CONFIG =====
R FB HS = 226.50kΩ
R FB LS = 14.70kΩ
C BOOT MIN = 0.034uF
C SS   MIN = 0.100uF
R UVLO HS = 47.00kΩ
R UVLO LS = 5.42kΩ
UVLO DIS:10.79V EN:11.61V
===== COMP =====
R COMP = 27.17kΩ
C COMP = 9.10nF
C HF   = 30.24pF
===== Freq =====
Adc    = 17.70V/V
f_Pmod = 0.43kHz
f_Zmod = 0.76MHz
f_RHPZ = 110.70kHz
f_co1  = 27.68kHz
f_co2  = 164.70kHz
f_co   = 27.68kHz

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    TI__Guru**** 1135610 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    您好！  

    不好意思，您这颗芯片不是中国team在看，所以麻烦您这边坐下英文描述，谢谢。

    此致

    陶氏

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    好的，我翻一下

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    您好！

    已将主题分配给我的同事、请等待他的回复。

    此致

    陶氏

  • 0
    TI__Guru**** 1135610 points
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    尊敬的 Zbqin：

    感谢您使用 e2e 论坛。
    请允许我花点时间将此话题转发给一位同事、他  也可以为您提供中文支持。
    我们将在接下来的两天内与您联系。

    谢谢、此致、
    尼克拉斯

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    尊敬的 Zbqin：

    在该主题已翻译后、我也可以提供我的输入：

    在计算补偿时、您是否仅使用了 webench 计算器？
    我们还有一个适用于 TPS43061的快速启动计算工具。
    https://www.ti.com/tool/download/SLVC471

    如果这是稳定性问题、您还可以使用波特图分析仪检查设计稳定性、或在无法进行波特图分析的情况下进行负载瞬态测量。

    您是否也愿意分享您的设计原理图？
    这将帮助我找到此问题的根源。

    此致、
    尼克拉斯

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    该原理图参考数据表9.2典型应用。

    我没有用于电源测试的仪器、并且示波器太慢、无法捕获负载响应。

    我无法确认是否是稳定性问题、因为这似乎只是触发过流保护、然后我在具有手动焊接错误的电路板上找到了一个临时解决方案(交换 C_HF 和 C_COMP)

    使用 Excel 文件计算出的结果与从数据表公式中获得的结果是一致的。

    最小输入电压11.8V
    标称输入电压为12V
    最大输入电压12.3V
    输出电压20V
    输出电流12.5A
    RSH 226500 Ω
    RSL 14700 Ω
    RCOMP 25500 Ω
    CCOMP 2.2E-9 F
    22.0E-12 F
    Fsw 800000Hz
    L 820.0E-9 H
    DCR 0.00167 Ω
    导通电阻0.0042 Ω
    CO 223.0E-6 F
    CO ESR 0.001 Ω
    Risense 0.002 Ω

    V IN = 12.00V [11.80V~12.30V]
    I IN = 21.72A
    POUT = 20V 12A

    SW = 823kHz 最大值：2357kHz
    L = 0.80uH (0.82)
    I = 21.21A rms：21.31A 峰值：24.88A
    RS = 2.00mΩ(<2.11mR) 2.59W
    C OUT = 232uF (31.13)
    C OUT ESR = 0.90mΩ(6个电容)
    R FB HS = 226.50kΩ
    R FB LS = 14.70kΩ
    R UVLO HS = 47.00kΩ
    R UVLO LS = 5.42kΩ
    R COMP = 27.17kΩ
    C COMP = 2.12nF
    C HF = 21.17pF

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    尊敬的 Zbqin：

    感谢您提供更多信息。
    我将在内部讨论此问题、并在明天向您提供其他建议。

    此致、
    尼克拉斯

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    我进行了更多的测试、如果将 C_HF 电容值分别更改为1nF 和 RC_COMP 分别更改为30K 和10nF、输出可以稳定超过30分钟、并通过58.2mV 的电流感应保持96%的效率。 但仿真将警告相位裕度过低。

    我还想了解 Webench 的温度计算、几天前我要重新配置仿真电流大小、如果我继续设置15A 输出 Webench 弹出温度过高、无法保持该配置、 我必须将其降低到12A 并将环境温度设置为0度才能保存、上图中的结温似乎过高、不允许我运行仿真计算。 但今天、当我再次将输出电流从12A 更改为15A 时、Webench 并没有阻止我、而且保存配置后、高结温警告消失了。

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    尊敬的 Zbqin：

    感谢您的更新。
    遗憾的是、我在 webench 仿真方面的经验非常少、因此、我无法知道原始警告从何而来、为什么它在更高的负载下突然消失。 额定功率主要影响功率级组件(FET、电感器和输出电容器)、因此请确保这些组件具有足够的额定值。
    再次查看您发送的第一个波形、看起来信号一开始呈线性上升、但随后呈向上斜率。 这可能是电感器进入饱和状态的迹象。 您能否确保电感器能够提供最坏情况下的电流+额外纹波？

    谢谢、此致、
    尼克拉斯   

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    TI__Guru**** 1135610 points
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    电感器是 FXL1350-R82-M (DCR=1.67mR Isat=39A IRMS=30A)、能够满足计算得出的电感器电流。

    我还有一些其他波形、这些波形是该电源方案早期评估的结果、采用两个 CKG57NX7R1H476M500JJ 输出电容器。 实际输出电容器值为2 * 36.9u+330uF、ESR=5.5mR。 但是、在我将电容器替换为 ESR=0.9mR 23uF+200uF 后、电感器电流就变成了这种情况。

    由于纹波电流仅为2-3A 而导致高温、该电容器被丢弃。

    但是、除了一些尖峰外、该波形优于当前替代超低 ESR 电容器的波形。

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    尊敬的 Zbqin：

    提及的陶瓷电容器。 对于输出电压为20V 的应用、使用额定电压为25V 的陶瓷电容器时、会因直流偏置而导致实际电容值降额。
    这意味着、如果电容器在0V 时具有23uF 电容、它可能会在20V 直流电压下工作时松动其实际电容的40%以上。
    电容器数据表中通常会给出直流偏置额定值示例：

    如果在与开关频率相同的频率下输出电压处存在较大纹波、通常是由陶瓷电容过低引起的。

    此致、
    尼克拉斯

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    我理解这个问题、所以我几乎总是选择具有低直流偏置损耗(-50%)的电容器、这些电容器样片很昂贵、一些廉价电容器在20Vdc 偏置电压下会损失75%的容量。

    但是、如果我使用并联电容器来补偿容量问题、会导致极低的 ESR。 在直流偏置下、我可以获得样片的最大实际容量的 EIA-1210电容器是 GCM32EC71E226KE36L (11.6uF)、但它在开关频率下的 ESR 为3MR、如果我想获得70uF、则需要6个电容器、 总 ESR 会降至0.5mR。 然后、我会遇到本文中提到的过流保护问题。 现在、我可以通过使用更大的 C_HF 来解决触发过流保护的问题、但我想知道为什么、因为我没有仪表来测试电源、看看环路响应曲线是否通过了测试。


    我在低负载时测试的电感器电流波形在5.6A 负载和10A 负载下没有变化、除了不同的最大电压外。 与之前评估板的唯一区别是输出电容不同、但电感充电时、高侧 MOS 应切断与输出电容的连接、是什么原因造成电感电流波形失去三角波的外观？

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    尊敬的 Zbqin：

    在升压拓扑中、与输出的连接绝不会完全切断。 使用两个 FET 的同步设计也是如此、因为当栅极关断时、电流仍可以流过高侧 FET 的体二极管、并且您还将具有反向恢复效应。

    此致、
    尼克拉斯