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德州儀器（TI）公司最近推出了兩款降壓轉換器，它們以業界最小的封裝實現了最高的功率密度與效率。TI中國區電源產品業務拓展工程師吳濤為我們講解了兩款轉換器的特性。 吳濤說，TPS56221和TPS56121用于電源轉換，集中在大功率或大電源應用上，它們的最大輸出電流分別為25A和15A。這些產品上個月已經量產，有些客戶已經在做評估。 TPS56是最新的編碼，以前常見的物料是TPS54，這是MOS管集成的方案。但和TPS56相比，TPS54電流會更小一點，一般集中在10安培或10安培以下。TPS56內部集成的是NexFET，這也是TI自己的MOS管，非常高效率，能達到非常高開關速度。集成NexFET以后，電流比傳統的TPS54電流更高一些，達到15或25安培的級別。TPS54和TPS56兩個系列可以覆蓋3—30安培所有單相DC/DC的應用。 這種類型的產品更多集中在大電流應用上，比如通信、FPGA、DSP等比較大的電流的應用。尤其在通訊行業，他們一直追求提高功率密度、提高效率。今年發布的TPS56正是適應這個需求，可以極大提高功率密度，而且效率處于業界領先（應該是業界第一）的地位。 TPS56221最大的特點是高效率、高功率密度，效率從5安培到25安培全部在90%以上，這是非常高的效率。測試條件是在12V輸入，1.3V輸出，500KHz開關頻率。在1.2V這么低的電壓下、5A到25A這么寬的范圍內達到90%的效率，在業界是非常難做到的一件事情。用TI的控制器加上NexFET就可以達到這樣的效果，非常平的效率曲線，無論是輕負載、重負載還是中等負載效率都非常高。5A以下，4A、3A、2A效率到在80%以上，1A依然有70%的效率，也就是說客戶如果在一些休眠或低功耗的狀態下，電流在1A時效率依然非常高。TPS56221由于內部集成controller和NexFET的原因，在重載下效率非常高，輕載下效率依然非常高。 
它的功率密度也是非常高的，達到200W/立方英寸。這個芯片是5毫米×6毫米的大小，高度是1.5毫米。業界正常的25A的一個MOS管就是5毫米×6毫米的大小，TI現在把兩個MOS管加上控制器全部放在一個封裝里是5毫米×6毫米的大小，它的功率密度和傳統解決方案相比提高了不止1倍。所以整個的一個25A的解決方案平鋪下來是315平方毫米，可以極大節省客戶的板面積，而且也節省了客戶物料管理所需要花費的工夫，因為把MOS管也集成了，他不用單獨采購MOS管。原來要三顆物料，現在只要一顆就可以完成一個解決方案了。
TPS56221的顯著特性如下。首先里面用到NexFET CSD86350 電源模塊，上管和下管集成在一個封裝里，其他廠商也有這樣的做法。56221除了用到一個傳統的TPS40控制器，也會用到CSD86350的Power Block，正因為我們用到了NexFET, 所以才做到這么高的效率。其次它采用變壓型的控制加上前端控制，它的動態響應時間非常好，包括對于輸入跳變響應非常快。 第三是在-4度到88度的范圍以內，保證1%精度的0.6V基準。0.6V這么低的基準可以保證在擴電壓越來越降低的情況，能適應所有的應用，1%的精度也能保證主芯片獲得高精度的使用范圍。比如芯片要求正負3%的精度要求，DC/DC的精度控制就是非常重要的事情。在25度常溫狀態下僅0.5%是非常準的精度。同時它支持預偏置電壓的啟動，輸出1.8V或1.2V。有部分電壓從別的電壓軌轉移過來的電壓時，它能夠保證平滑的啟動，而不是從別的電源軌電流進來，也就是不會有反向電流進入到DC/DC里。 TPS56221最小的on time是100nm, 最大duty可以非常高。在不同的頻率下有不同的最大duty, 比如500k時最大duty有90%。這么寬的Maximum duty可以允許客戶做任何的電壓配比，比如5V轉3.3V、5V轉3.3V以下的電壓，包括5V轉1.2V的電壓都可以順利的完成設計。 另外有一個很大的特色就是，過流保護可以根據客戶的需要設定，比如使用20A，不想過流保護到25A以上可以自己調整。 高側（high side）有Pulse by pulse來進行，目前用到的方法是外部用到的電阻，可以根據客戶選擇不同的電阻值來調整過流保護點。這里總結的是有NexFET的優點，也有TPS40K控制器的優點，兩方面加在一起才有這么一個DC/DC converter。 下面進一步介紹效率和功耗情況。傳統的做法是外面有兩個MOS管，現在已經包含進去，所以它有最大的外部器件是電容，其他都是小器件。這和剛才的效率曲線基本是一樣的，它做的轉換是12V至1.2V、25A的轉換，不同的是剛才是12V的曲線在上面，這里把8V和14V的效率曲線也標出來了。 三家公司的產品做過比較，其中有15A、25A和20A的。最接近競爭產品效率也差4個點，其他的效率差別會更大。
新推出的兩款產品中TPS56121是15A的產品，TPS56221是25A的產品。與競爭對手的產品相比，TI的工作頻率是1M赫茲，比對手高了一倍，開關損耗大了很多，但是15A時的效率，仍然比對手高3%。也就是說，TI的方案尺寸更小而效率更高。3個點的效率意味著什么？對于效率已經非常高的解決方案來講，進一步提高3個點的效率也很困難，通常要經過一整代MOS管的更新換代才能達到這個水平。競爭對手在15A可以做到87%，已經很高，但TI可以做到90%以上。從TPS56121全范圍的效率曲線看，最底下的線是80%，在2A時是90%，15A還是在90%以上，16A略低于90%，這是在1MHz工作頻率下測到的結果。 在不同輸入電壓下，5V時比12V時的效率更高一點。左邊是TPS56221的效率，下圖是5V輸入電壓下的情況，紅線是往0.8V輸出，往上依次是1V、1.2V、1.8V、2.5V。2.5V效率已經非常高了，基本在2A以內都可以達到92%以上的效率，哪怕0.8V也可以做到80%以上的效率，最重的載效是85%左右。右邊15A的TPS56121效率曲線更平一點。0.8V這么低的電壓，在15V還可以做到90%。
TPS56221和TPS56121在5 Vin下的效率曲線
TPS56221設計實例
TPS56221的輸出電壓紋波曲線 |
