TI工程师讲解实现最高功率密度与效率的降压转换器TPS56221和TPS56121

发布时间：2011-4-14 14:22 发布者：嵌入式公社

德州仪器（TI）公司最近推出了两款降压转换器，它们以业界最小的封装实现了最高的功率密度与效率。TI中国区电源产品业务拓展工程师吴涛为我们讲解了两款转换器的特性。

吴涛说，TPS56221和TPS56121用于电源转换，集中在大功率或大电源应用上，它们的最大输出电流分别为25A和15A。这些产品上个月已经量产，有些客户已经在做评估。

TPS56是最新的编码，以前常见的物料是TPS54，这是MOS管集成的方案。但和TPS56相比，TPS54电流会更小一点，一般集中在10安培或10安培以下。TPS56内部集成的是NexFET，这也是TI自己的MOS管，非常高效率，能达到非常高开关速度。集成NexFET以后，电流比传统的TPS54电流更高一些，达到15或25安培的级别。TPS54和TPS56两个系列可以覆盖3—30安培所有单相DC/DC的应用。

这种类型的产品更多集中在大电流应用上，比如通信、FPGA、DSP等比较大的电流的应用。尤其在通讯行业，他们一直追求提高功率密度、提高效率。今年发布的TPS56正是适应这个需求，可以极大提高功率密度，而且效率处于业界领先（应该是业界第一）的地位。

TPS56221最大的特点是高效率、高功率密度，效率从5安培到25安培全部在90%以上，这是非常高的效率。测试条件是在12V输入，1.3V输出，500KHz开关频率。在1.2V这么低的电压下、5A到25A这么宽的范围内达到90%的效率，在业界是非常难做到的一件事情。用TI的控制器加上NexFET就可以达到这样的效果，非常平的效率曲线，无论是轻负载、重负载还是中等负载效率都非常高。5A以下，4A、3A、2A效率到在80%以上，1A依然有70%的效率，也就是说客户如果在一些休眠或低功耗的状态下，电流在1A时效率依然非常高。TPS56221由于内部集成controller和NexFET的原因，在重载下效率非常高，轻载下效率依然非常高。

它的功率密度也是非常高的，达到200W/立方英寸。这个芯片是5毫米×6毫米的大小，高度是1.5毫米。业界正常的25A的一个MOS管就是5毫米×6毫米的大小，TI现在把两个MOS管加上控制器全部放在一个封装里是5毫米×6毫米的大小，它的功率密度和传统解决方案相比提高了不止1倍。所以整个的一个25A的解决方案平铺下来是315平方毫米，可以极大节省客户的板面积，而且也节省了客户物料管理所需要花费的工夫，因为把MOS管也集成了，他不用单独采购MOS管。原来要三颗物料，现在只要一颗就可以完成一个解决方案了。

TPS56221的显著特性如下。首先里面用到NexFET CSD86350 电源模块，上管和下管集成在一个封装里，其他厂商也有这样的做法。56221除了用到一个传统的TPS40控制器，也会用到CSD86350的Power Block，正因为我们用到了NexFET, 所以才做到这么高的效率。其次它采用变压型的控制加上前端控制，它的动态响应时间非常好，包括对于输入跳变响应非常快。

第三是在-4度到88度的范围以内，保证1%精度的0.6V基准。0.6V这么低的基准可以保证在扩电压越来越降低的情况，能适应所有的应用，1%的精度也能保证主芯片获得高精度的使用范围。比如芯片要求正负3%的精度要求，DC/DC的精度控制就是非常重要的事情。在25度常温状态下仅0.5%是非常准的精度。同时它支持预偏置电压的启动，输出1.8V或1.2V。有部分电压从别的电压轨转移过来的电压时，它能够保证平滑的启动，而不是从别的电源轨电流进来，也就是不会有反向电流进入到DC/DC里。

TPS56221最小的on time是100nm, 最大duty可以非常高。在不同的频率下有不同的最大duty, 比如500k时最大duty有90%。这么宽的Maximum duty可以允许客户做任何的电压配比，比如5V转3.3V、5V转3.3V以下的电压，包括5V转1.2V的电压都可以顺利的完成设计。

另外有一个很大的特色就是，过流保护可以根据客户的需要设定，比如使用20A，不想过流保护到25A以上可以自己调整。

高侧（high side）有Pulse by pulse来进行，目前用到的方法是外部用到的电阻，可以根据客户选择不同的电阻值来调整过流保护点。这里总结的是有NexFET的优点，也有TPS40K控制器的优点，两方面加在一起才有这么一个DC/DC converter。

下面进一步介绍效率和功耗情况。传统的做法是外面有两个MOS管，现在已经包含进去，所以它有最大的外部器件是电容，其他都是小器件。这和刚才的效率曲线基本是一样的，它做的转换是12V至1.2V、25A的转换，不同的是刚才是12V的曲线在上面，这里把8V和14V的效率曲线也标出来了。

三家公司的产品做过比较，其中有15A、25A和20A的。最接近竞争产品效率也差4个点，其他的效率差别会更大。

新推出的两款产品中TPS56121是15A的产品，TPS56221是25A的产品。与竞争对手的产品相比，TI的工作频率是1M赫兹，比对手高了一倍，开关损耗大了很多，但是15A时的效率，仍然比对手高3%。也就是说，TI的方案尺寸更小而效率更高。3个点的效率意味着什么？对于效率已经非常高的解决方案来讲，进一步提高3个点的效率也很困难，通常要经过一整代MOS管的更新换代才能达到这个水平。竞争对手在15A可以做到87%，已经很高，但TI可以做到90%以上。从TPS56121全范围的效率曲线看，最底下的线是80%，在2A时是90%，15A还是在90%以上，16A略低于90%，这是在1MHz工作频率下测到的结果。

在不同输入电压下，5V时比12V时的效率更高一点。左边是TPS56221的效率，下图是5V输入电压下的情况，红线是往0.8V输出，往上依次是1V、1.2V、1.8V、2.5V。2.5V效率已经非常高了，基本在2A以内都可以达到92%以上的效率，哪怕0.8V也可以做到80%以上的效率，最重的载效是85%左右。右边15A的TPS56121效率曲线更平一点。0.8V这么低的电压，在15V还可以做到90%。