**關(guān)注“電源先生”，解析開關(guān)電源**
01 / 背景簡述 /
表 1 TPS54561DPRT參考電路實例的設(shè)計需求
圖 1 BUCK轉(zhuǎn)換器的詳細設(shè)計流程
參考[ 從0到1設(shè)計BUCK(3) | BUCK降壓電路芯片選型實戰(zhàn)指南 ]，我們選擇的非同步BUCK轉(zhuǎn)換器芯片為TPS54561DPRT。
參考[ 從0到1設(shè)計BUCK(1) | BUCK設(shè)計流程，從需求定義到PCB布局的九大核心步驟 ]，圖 0.1所示，在確定了BUCK芯片后，首先需要根據(jù)芯片特性進行開關(guān)頻率配置，因為開關(guān)頻率是開關(guān)電源中總領(lǐng)全局的參數(shù)，相當(dāng)于一顆大樹的樹干。
圖 2 TPS54561DPRT電路設(shè)計實例
圖 2所示，這就是我們后續(xù)將要設(shè)計完成的TPS54561DPRT電路設(shè)計實例。
02 / TPS54561DPRT RT/CLK引腳 /
2.1 恒定的開關(guān)頻率和定時電阻RT/CLK引腳
圖 3 TPS54561DPRT芯片RT/CLK引腳
圖 3所示，TPS54561DPRT芯片RT/CLK引腳用于配置開關(guān)頻率或者同步外部時鐘頻率。
通過在RT/CLK引腳和GND引腳之間放置一個電阻，TPS54561的開關(guān)頻率可以在100kHz到2500kHz的大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。RT/CLK引腳的電壓通常為0.5V，必須有一個電阻到地才能設(shè)置開關(guān)頻率。
要確定給定開關(guān)頻率的定時電阻，可使用公式10或公式11或圖 4曲線。
圖 4 TPS54561DPRT芯片開關(guān)頻率配置曲線
與以較低頻率開關(guān)的電源相比，高開關(guān)頻率允許使用低值電感器和較小的輸出電容（整體的解決方案更小），但應(yīng)考慮轉(zhuǎn)換效率、最大輸入電壓和最小可控接通時間的權(quán)衡。
可以選擇的開關(guān)頻率受內(nèi)部電源開關(guān)的最小導(dǎo)通時間、輸入電壓、輸出電壓和頻率折返保護的限制。
參考文章[ 開關(guān)頻率大小的限制因素是什么？ ][ 占空比大小的限制因素是什么？ ]…
2.2 最大開關(guān)頻率
為了在較高的開關(guān)頻率和輸入電壓下保護轉(zhuǎn)換器的過載狀況，TPS54561實現(xiàn)了頻率折返。當(dāng)FB引腳電壓從0.8 V下降到0 V時，振蕩器頻率被除以1、2、4和8。
當(dāng)輸出電壓被短路的負載強制降低時，電感電流在開關(guān)關(guān)閉時間內(nèi)緩慢下降。頻率折返通過（降低開關(guān)頻率）增加開關(guān)周期有效地增加了關(guān)斷時間，為電感電流提供了更多的時間來下降。
在最大頻率折返比為8的情況下，有一個最大頻率，電感電流可以通過頻率折返保護來控制。
公式12計算了由最小可控接通時間和輸入輸出降壓比設(shè)定的最大開關(guān)頻率限制。將開關(guān)頻率設(shè)置在該值以上將導(dǎo)致調(diào)節(jié)器跳過開關(guān)脈沖，以實現(xiàn)在最大輸入電壓下調(diào)節(jié)輸出所需的低占空比。
公式13計算了最大的開關(guān)頻率，當(dāng)VOUT被強制到VOUT(SC)時，電感電流將保持在控制范圍內(nèi)。選擇的工作頻率不應(yīng)超過公式12和公式13的計算值。
03 / 配置開關(guān)頻率 /
應(yīng)使用公式12和公式13來計算穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率上限。從這兩個公式中選擇較低的值結(jié)果。開關(guān)頻率高于這些值會導(dǎo)致脈沖跳過或在短路時缺乏過電流保護。
在表 1“設(shè)計需求”中，輸出電壓為5V，最大輸入電壓為60V，最大負載電流為5A。假設(shè)續(xù)流二極管電壓為0.7V，功率電感的直流電阻為11mΩ，高邊開關(guān)的導(dǎo)通電阻為87mΩ，電流極限值為6A，短路輸出電壓為0.1V。
注：此時，續(xù)流二極管、功率電感和高邊開關(guān)MOSFET還未選型，續(xù)流二極管電壓為0.7V、功率電感的直流電阻為11mΩ、高邊開關(guān)的導(dǎo)通電阻為87mΩ相當(dāng)于是期望值。
TPS54561DPRT芯片最小可控導(dǎo)通時間通常為135ns，這限制了在高輸入輸出降壓比的應(yīng)用中的最大工作頻率，通過公式12計算，結(jié)果是公式28，708kHz。
最大開關(guān)頻率也受到頻率折返電路的限制，通過公式13計算，結(jié)果是公式29，855kHz。
此例選擇較低的開關(guān)頻率400 kHz，以便在計算出的最大值以下舒適地運行，通過公式11計算對應(yīng)的配置電阻值，結(jié)果是公式30，242kΩ，最接近標(biāo)準(zhǔn)值的電阻是243 kΩ。
04 / 小結(jié) /
這里需要說明的是，不同的開關(guān)電源芯片開關(guān)頻率配置所使用的技術(shù)不同，需要參考具體芯片規(guī)格書。參考文章[ 5.5 開關(guān)頻率配置 ]，其中另有LM5088MHX-2/NOPB、LTC3707EGN-SYNC#PBF和ADP3020ARU三個芯片開關(guān)頻率配置的實例。