特点

3.5至28 V输入电压范围

可调输出电压低至0.8 V

集成80-mΩ高侧MOSFET支持高达3-A的连续输出电流

具有脉冲跳过Eco模式的轻负载高效率™

固定570 kHz开关频率

典型的1-μA关闭静态电流

可调慢速启动限制涌流

可编程UVLO阈值

过电压瞬变保护

逐周期电流限制、频率折叠和热关机保护

提供易于使用的SOIC8封装或

热增强SOIC8电源板™

包裹

由WEBENCH®软件工具支持

2个应用程序

用户应用程序，如机顶盒、CPE设备、LCD显示器、外围设备和

电池充电器

工业和汽车音频电源

5-V、12-V和24-V分布式电力系统

4简图

说明

TPS54331器件是一个28伏，3安的非同步降压转换器，集成了一个低RDS（on）高侧MOSFET。为了提高轻载时的效率，自动激活脉冲跳过Eco模式功能。此外，1μA的关闭电源电流允许设备用于电池供电的应用。带内斜率补偿的电流模式控制简化了外部补偿计算，减少了元件数量，同时允许使用陶瓷输出电容器。电阻分压器对输入欠压锁定的滞后进行编程。过电压暂态保护电路在启动和暂态条件下限制电压过冲。在过载情况下，逐周电流限制方案、频率折叠和热关机保护装置和负载。TPS54331设备有8针SOIC封装和8针SO PowerPAD封装，经过内部优化以提高热性能。

概述

TPS54331器件是一个28-V，3-a，降压（buck）转换器，集成了高边n沟道MOSFET。为了提高线路和负载瞬变过程中的性能，该装置实现了恒定频率、电流模式的控制，降低了输出电容，简化了外部频率补偿设计。TPS54331设备具有570 kHz的预设开关频率。

TPS54331设备需要3.5 V的最小输入电压才能正常工作。EN引脚有一个内部上拉电流源，可以用两个外部电阻调整输入电压欠压锁定（UVLO）。此外，当EN引脚浮动时，上拉电流为设备操作提供默认条件。在不切换和空载情况下，工作电流为110μA（典型值）。当设备被禁用时，电源电流为1μA（典型值）。

集成的80-mΩ高侧MOSFET允许高效率的电源设计，连续输出电流可达3a。

TPS54331设备通过集成引导充电二极管来减少外部组件计数。集成高边MOSFET的偏置电压由位于PH引脚上的外接电容器提供。启动电容电压由UVLO电路监测，当电压低于预设阈值2.1v（典型值）时，关闭高压侧MOSFET。输出电压可以降低到与参考电压一样低。

通过添加外部电容器，TPS54331装置的慢启动时间可以调节，从而实现灵活的输出滤波器选择。

为了提高轻载条件下的效率，TPS54331器件在峰值电感电流降至160毫安以下（典型）时进入特殊的脉冲跳过Ecomode。

频率折叠降低了启动和过电流条件下的开关频率，有助于控制电感电流。热关机在故障条件下提供额外保护。

功能框图

特征描述

定频PWM控制

TPS54331设备使用固定频率、峰值电流模式控制。TPS54331装置的内部开关频率固定在570 kHz。

参考电压（Vref）

电压基准系统通过调节温度稳定带隙电路的输出，产生±2%的初始精度电压基准（±3.5%过温）。典型的参考电压设计为0.8V。

引导电压（引导）

TPS54331设备有一个集成的引导调节器，需要在

引导和PH引脚，为高侧MOSFET提供栅极驱动电压。推荐使用X7R或X5R级介质的陶瓷电容器，因为其在温度和电压下具有稳定的特性。为了改善掉电性能，TPS54331设备设计为在开机至PH引脚电压大于2.1V（典型值）的情况下，以100%的占空比运行。

启用和可调输入欠压锁定（VIN UVLO）

EN管脚有一个内部上拉电流源，当EN管脚浮动时，该电流源提供设备的默认条件。

特征描述（续）

当车辆识别号引脚电压低于内部车辆识别号UVLO阈值时，TPS54331设备被禁用。除非车辆识别号电压大于（VOUT+2 V），否则建议使用外部车辆识别号UVLO来添加滞后。要调整具有滞后的车辆识别号UVLO，请使用连接到EN引脚的外部电路，如图9所示。当EN-pin电压超过1.25v时，增加3μA的磁滞。使用方程1和方程2计算所需的VIN UVLO阈值电压所需的电阻值。VSTOP阈值应始终大于3.5 V。

VEN是1.25 V的启用阈值电压

使用SS引脚的可编程慢速启动

强烈建议在外部编程慢启动时间，因为在内部没有实现慢启动时间。TPS54331装置有效地使用内部电压基准或SS引脚电压的较低电压作为馈入误差放大器的电源的基准电压，并相应地调节输出。SS引脚对地上的电容器（CSS）实现缓慢的启动时间。TPS54331装置的内部上拉电流源为2μA，为外部慢启动电容器充电。使用公式3计算慢启动时间（10%到90%）

慢速启动时间应设置在1 ms到10 ms之间，以确保良好的启动行为。慢启动电容器的值不应超过27 nF。

在正常运行期间，如果输入电压低于VIN UVLO阈值，EN引脚被拉到1.25v以下，或发生热关机事件，则TPS54331设备停止切换。

特征描述（续）

误差放大器

TPS54331装置具有用于误差放大器的跨导放大器。误差放大器将VSENSE电压与误差放大器输入端提供的内部有效电压参考值进行比较。在正常工作时，误差放大器的跨导为92μA/V。频率补偿部件连接在压缩机引脚和接地之间。

坡度补偿

为了防止在占空比大于50%的情况下操作装置时出现次谐波振荡，TPS54331装置增加了一个内置的斜率补偿，作为开关电流信号的补偿斜坡。

电流模式补偿设计

为了简化使用TPS54331设备的设计工作，表1列出了常见应用的典型设计。对于使用陶瓷输出电容器的设计，在进行稳定性分析时，建议适当降低陶瓷输出电容的额定值，因为当施加电压增加时，实际陶瓷电容值大大低于标称值

过流保护及移频

TPS54331器件实现电流模式控制，该电流模式控制使用COMP pin电压以循环方式关闭高压侧MOSFET。在每个循环中，比较开关电流和压缩机引脚电压。当峰值电感电流与COMP pin电压相交时，高压侧开关关闭。在将输出电压拉低的过电流条件下，误差放大器通过将COMP引脚拉高作出响应，从而导致开关电流增加。COMP引脚内部有一个最大的钳位，限制输出电流。

TPS54331设备在短路期间提供可靠的保护。在输出端短路期间，输出电感器中可能发生过电流失控。TPS54331装置通过降低开关频率来增加短路条件下的关断时间来解决此问题。开关频率除以1、2、4和8，作为电压从0到0.8V在VSENSE引脚上的斜坡

电压暂态保护

TPS54331装置包含一个过电压瞬态保护（OVTP）电路，以便在从输出故障条件或强卸载瞬态恢复时最小化输出电压超调。OVTP电路包括一个过电压比较器，用于比较VSENSE pin电压和内部阈值。当VSENSE管脚电压高于109%×Vref时，高压侧MOSFET被强制关断。当VSENSE管脚电压低于107%×Vref时，高压侧MOSFET再次启用。

热停堆

当结温超过165°C时，装置实施内部热关机以保护装置。当结温超过热跳闸阈值时，热关机迫使装置停止切换。当模具温度降至165°C以下时，设备重新启动通电程序。

设备功能模式

Eco模式™

TPS54331装置设计为在轻载电流下以脉冲跳过Eco模式工作，以提高轻载效率。当电感峰值电流低于160ma（典型值）时，COMP引脚电压降至0.5v（典型值），器件进入Eco模式。当器件处于Eco模式时，COMP管脚的内部电压被钳制在0.5-V，从而防止高压侧集成MOSFET开关。为了使COMP pin电压上升到0.5v以上并退出Eco模式，电感电流峰值必须上升到160ma以上。由于集成电流比较器只捕获电感峰值电流，因此进入Eco模式的平均负载电流随应用和外部输出滤波器的不同而变化。

车辆识别号<3.5 V的操作

建议设备在输入电压高于3.5 V的情况下运行。未指定典型的车辆识别码（VIN）紫外线低限阈值，设备可以在输入电压低于紫外线低限电压的情况下运行。当输入电压低于实际UVLO电压时，设备不会切换。如果EN管脚在外部上拉或左浮动，则当VIN管脚超过UVLO阈值时，设备将激活。启动慢启动序列时开始切换。

EN控制操作

启用阈值电压为1.25 V（典型值）。当EN引脚保持在低于该电压时，即使VIN引脚高于UVLO阈值，设备也将被禁用，并且开关将被禁止。在此状态下，IC静态电流减小。如果EN电压升高到阈值以上，而VIN引脚高于UVLO阈值，则设备将激活。启用切换，启动慢速启动序列。

典型应用示意图

详细设计程序

以下设计过程可用于选择TPS54331设备的组件值。或者，可以使用WEBENCH软件生成完整的设计。WEBENCH软件使用迭代设计过程，并在生成设计时访问组件的综合数据库。本节对设计过程进行了简化讨论。

开关频率

TPS54331设备的开关频率固定在570 kHz。

输出电压设定值

TPS54331装置的输出电压可使用电阻分压器网络进行外部调节。如图10所示，这个分割网络由R5和R6组成。输出电压与电阻分压器的关系由方程式4和方程式5给出。

选择R5值约为10 kΩ。当使用标准值电阻器时，稍微增大或减小R5的值可导致更紧密的输出电压匹配。在这种设计中，R4=10.2 kΩ，R=3.24 kΩ，产生3.31 V输出电压。提供0Ω电阻R4，作为断开控制回路进行稳定性测试的方便位置。

输入电容器

TPS54331设备需要一个输入去耦电容器，并且根据应用情况，需要一个大容量输入电容器。去耦电容器的典型建议值为10μF。建议使用X5R或X7R型优质陶瓷。额定电压应大于最大输入电压。只要满足所有其他要求，就可以使用较小的值；然而，10μF的值已被证明在各种电路中工作良好。此外，可能需要一些大容量电容，特别是如果TPS54331电路不在距离输入电压源约2英寸的范围内。该电容器的值不是临界值，但其额定值应能处理包括纹波电压在内的最大输入电压，并应过滤输出，使输入纹波电压可接受。在本设计中，输入去耦电容器采用两个4.7μF的电容器。电容器为X7R介质，额定电压为50 V。等效串联电阻（ESR）约为2 mΩ，额定电流为3 A。此外，还包括一个小的0.01-μF电容器，用于高频滤波。

在这种情况下，输入纹波电压为143mv，RMS纹波电流为1.5a。

注意

实际输入电压纹波受寄生电路的影响很大，寄生电路与电压源的布局和输出阻抗有关。

该电路的实际输入电压纹波列于表3，大于计算值。该测量值仍低于300 mV的规定输入限值。输入电容器的最大电压为VIN（MAX）+ΔVIN/2。所选的大容量电容器和旁路电容器的额定电压均为50 V，纹波电流容量大于3 A，两者都提供了足够的裕度。在任何情况下都不得超过电压和电流的最大额定值。

输出滤波器组件

必须为输出滤波器选择两个部件L1和C2。由于TPS54331设备是外部补偿设备，因此可以支持多种滤波器组件类型和值。

感应器选择

要计算输出电感的最小值，请使用公式8。

对于本设计示例，使用KIND=0.3，最小电感值计算为5.7μH。对于本设计，选择了一个大值：6.8μH。

对于输出滤波器电感，不要超过均方根电流和饱和电流额定值。使用公式9计算电感纹波电流（ILPP）。

在本设计中，均方根电感电流为3.01A，峰值电感电流为3.47A。所选电感为Sumida CDRH103-6R8，6.8μH。该电感的饱和电流额定值为3.84A，均方根电流额定值为3.6A，满足这些要求。只要满足其他设计要求，可以根据设计者希望允许的纹波电流量使用更小或更大的电感值。较大值的电感将具有较低的交流电流并导致较低的输出电压纹波，而较小值的电感将增加交流电流和输出电压纹波。通常，与TPS54331设备一起使用的电感值在6.8至47μH的范围内。

电容器选择

输出电容器的重要设计因素是直流电压额定值、纹波电流额定值和等效串联电阻（ESR）。不能超过直流电压和纹波电流额定值。ESR很重要，因为它和电感电流一起决定了输出纹波电压的大小。输出电容器的实际值并不重要，但确实存在一些实际限制。考虑设计所需的闭环交叉频率与输出滤波器LC角频率之间的关系。一般来说，希望闭环交叉频率小于开关频率的1/5。对于高开关频率，例如本设计的570 kHz频率，TPS54331设备的内部电路限制将实际最大交叉频率限制为约25 kHz。一般情况下，闭环交叉频率应高于由负载阻抗和输出电容确定的角频率。使用公式12计算最小电容值的限值

电源建议

这些装置设计为在3.5 V至28 V的输入电压范围内工作。该输入电压应得到良好的调节。如果输入电源距离转换器超过几英寸，除了陶瓷旁路电容器外，可能还需要额外的体积电容。100μF值的电解电容器是典型的选择。

布局

布局指南

应使用低ESR陶瓷旁路电容器将车辆识别号引脚旁路接地。应注意尽量减少旁路电容器连接、车辆识别号引脚和捕捉二极管阳极形成的回路面积。典型的推荐旁路电容器是10μF陶瓷，带有X5R或X7R介质，最佳位置最接近VIN管脚和捕获二极管阳极的源。图25显示了一个PCB布局示例。接地引脚应绑在设备引脚的PCB接地平面上。低压侧MOSFET的电源应直接连接到顶部PCB接地区域，用于连接输入和输出电容器的接地侧以及捕捉二极管的阳极。PH引脚应连接到捕获二极管的阴极和输出电感。由于PH连接是开关节点，因此捕捉二极管和输出电感应非常靠近PH管脚，并且PCB导体的面积应最小化，以防止过多的电容耦合。为了在全额定负荷下运行，顶部地面区域必须提供足够的散热面积。TPS54331设备使用保险丝引线框架，因此接地引脚充当从模具散热的导电路径。许多应用具有更大的内部或背面接地平面区域，并且顶部接地区域可以使用设备下方或附近的多个通孔连接到这些区域，以帮助散热。如图所示，可以大致放置其他外部组件。可以使用替代布局方案获得可接受的性能，但是该布局已被证明产生了良好的结果，并用作指导。

布局示例

输入

电磁干扰（EMI）考虑因素

随着EMI在越来越多的应用中日益受到关注，TPS54331设备的内部设计包括减少EMI的特性。高侧MOSFET栅极驱动是为了降低PH引脚电压振荡而设计的。内部集成电路轨道被隔离以降低噪声灵敏度。为了降低寄生效应，采用了包结线方案。