基于TPS40140的板级供电方案实现与研究

闵 田，赵咸红

(1.光纤通信技术和网络国家实验室，湖北 武汉 430074;2.烽火网络有限公司，湖北 武汉 430074)

电源就像人体的血液，可以说是所有设备的动力。而由于开关电源具有功耗小、效率高、稳压范围宽、滤波效率高等优点，在通信、计算机、航天航空等领域已得到广泛的应用。同时，大功率的板级供电在各行各业更是广泛需要，特别是低压输出的。本文提出了一套利用TI的TPS40140的控制器实现的供电方案［1-4］。

1 TPS40140简介

TPS40140是一个款多功能的同步降压型控制器，可以两相供电提供单一输出或者两相供电分别输出独立电源。同时多个TPS40140可以最多堆叠至16相，使多项同时工作以实现大功率的供电，并联输出最大电流可达320 A。输入电压范围为:4.5 ～15 V，输出电压范围为:0.7 ～5.8 V，开关频率最高可编程至1 MHz。采用6 mm×6 mm，36 pin的QFN封装形式，可以节约PCB布板空间。

1.1 多相位时钟同步

TPS40140既可以做主控制器，也可以做从控制器。当单片独立工作时，2个通道的相位差为180度，而多片堆叠工作时，从通道相对于主通道的相位偏移是可编程的。

在多控制器系统里有主有从，有一个20 A的电流源从主控制器的PHSEL引脚出来，根据从控制器的数量，从控制器从主控制器的CLKIO信号中选择恰当的延时来达到相位交错的目的。1个确定的主或从控制器的2个相位永远错位180度。

1个6相的工作示例如图1所示，在1个周期里有6相电流，每相20 A，如图2所示均匀的出现在合适的位置，1片2相，总共可达到120 A的电流。

主时钟控制器是产生使主时钟和从时钟之间相位同步的CLKIO信号的控制器，从时钟接收来自主时钟控制器的CLKIO信号，如图3所示，由连接在PHSEL上的电阻完成从时钟的相移。

图3 单个控制器与外部时钟同步

如果外部CLKIO信号是没有缺失脉冲的时钟信号，那么PWM的频率就是1/8的外部时钟，如果外部CLKIO信号每6个或8个时钟周期出现1个缺失脉冲，那么主同步的相位是由PHSEL脚的电压来决定的。图3中EXTCLK-A是1个连续的没有缺失的时钟信号，PWM-A信号是同步与时钟信号的同步频率，显然PWM信号的频率是1/8的EXTCLK-A信号。EXTCLK-S是每8个周期缺失1个脉冲的时钟信号，而PWM-S的频率是根据PHSEL脚的电压来决定的。由于PHSEL接地，则PWM-S信号会比缺失脉冲的下降沿移相90°。

1.2 电流控制型脉宽调制

一般脉宽调制器是按反馈电压来调节脉宽的，而电流控制性脉宽调制器就是按反馈电流来调节脉宽。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流随误差电压变化而变化。由于结构上由电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都将有所提高。

电感-电流检测方式原理如图4所示，相对于用1个既占PCB面积又影响性能的电流检测电阻，这是一种无损耗的方式。

图4 电感-电流检测方式

电感L1包括其感值L，和直流阻抗DCR两个参数。L/DCR的时间常数需等于R1×C1的时间常数。选择C1为 0.1 μF，则公式为

送入电流检测放大器的电压Vc，由式(2)求得

由图5可以看到，输出电流IOUT流过RSNS(图4中电感的DCR)派生出一个穿过它的电压VC，代表输出的电流。电压VC也会被来自与输出电感并联的一个R-C网络所驱动。这个电压会按照12.5倍的增益进行放大，随后与误差放大器的输出(COMP)相减，得到电压Ve。Ve信号会与斜率补偿信号RAMP比较以生成PWM给调制器。由于输出的电流增大，放大后的VC引起Ve信号的降低。为了保证适合的占空比(PWM)，COMP信号必需增大。因此，COMP信号的大小包含了输出电流的信息:

这是过流检测中的一部分，且被比较器U7知晓，并将ILIM的电压与COMP进行比较。为了在PWM上，获得合适的占空比，Ve表达式为

组合公式为

经误差放大器后将输出电压通过负反馈引入COMP端。这样一个完成的闭环反馈系统就实现了。

图5 输出电流检测和过流保护

2 供电方案的电路设计与参数选择

2.1 控制电路

1)预偏置启动:图6是TPS40140典型的单片两相工作时的电路图，接至TRKx管脚的电容用来设置上电时间，当UVLO_CEx为高时，内部的上电复位清除，标准电流源开始给外部缓启动电容充电，PGOOD管脚上电过程中是拉低的。当缓启动电压上升到0.7 V参考电压时，对输出将不再有任何影响，而当缓启动电压上升到1.4 V时，PGOOD管脚将会输出高电平。

2)可编程欠压锁定:当控制器开始工作，在UVLO_CEx管脚有一个分压电路设置在2 V，当UVLO_CEx管脚的电压超过1 V的时候，内部寄存器使能，但是当电压达到2 V开关才会打开。

3)过流检测及暂停模式:当控制器发现7个周期的过流情况，就会关断上、下MOS管，从而进入一种暂停模式。经过7个缓启动周期后，再次尝试正常开关。如果过流情况已经解决，则恢复正常操作，否则不断重复此过程。此外，如果FB管脚检测的输出电压小于0.588 V，低于欠压保护的阈值(也就是84%的VREF)，控制器也会进入暂停模式中。

4)设置开关频率:开关频率的设置是通过连接在RT管脚到地的电阻值来确定。具体的计算公式为

式中:fPH是单相的相位频率，单位kHz，R的单位是kΩ。

5)输出过压保护机制:这个机制是当FB管脚的电压超过过压保护的阈值810 mV打开下管，保持上管关断，下管打开直到FB的电压回落到欠压阈值以下，控制器将进入到一个暂停恢复周期。任何时候控制器使能，FB管脚的电压超过过压阈值，下管就会打开直到FB电压降到欠压阈值。

图6 TPS40140单片两相电路

2.2 反馈电路及其参数选定

图7为Ⅲ型误差放大，它含有两个零点和两个极点，以及一个初始极点。

传递函数为

第一个初始极点频率为

图7 Ⅲ型补偿电路

在此频率处，R1的阻抗等于并联C1和C2的容抗。第一个零点频率为

在此频率处，R2的阻抗等于C1的阻抗。第二个零点频率为

在此频率处，R1和R3的阻抗等于C3的阻抗。第一个极点频率为

在此频率处，R2的阻抗等于C1和C2串联口的阻抗。第二个极点频率为

在此频率处，R3的阻抗等于C3的阻抗。

若假设 R1=10 kΩ，则可计算出 C1=16.6 nF，R2=1.2 kΩ，C2=880 pF，C3=2 nF，R3=398 Ω。

然而，电路稳定的增益准则有三:第一，在开环增益为1的频率处，系统所有环节的总开环相位延迟必须小于360°;第二，系统的开环增益曲线在剪切频率附近的增益斜率应为-1;第三，提供所需的相位裕量，且相位裕量越大越好。而以上理论值是在系统保有45°相位裕量的基础上计算得出的，这是最小的理想相位裕量，在实际电路中会做出一定的调整，相应地增大相位裕量，故通过实验和测试选择了下面参数:C1=22 nF，R2=5.1 kΩ，C2=2200 pF，C3=680 pF，R3=2 kΩ。

在实测过程中，C2的改变对于开关信号SW的影响最为显著。

当采用当C2=880 pF时，SW信号如图8a所示，下降沿抖动厉害，且上升沿不够直。

当增大C2的值，C2=1000 pF时，如图8b所示，上升沿很直，满足要求，且下降沿抖动有明显改善。

再次增大C2，使C2=2200 pF，如图8c所示，下降沿抖动减小到27.6 ns的范围内，再增大C2改善就不明显了。

图8 SW信号波形

造成这种现象的主要原因是，C2主要是滤除高频分量，它选出极点频率，远离零点频率，增大C2使得SW下降沿抖动不断减小说明越来越靠近极点，远离零点位置。而当C2增大到2200 pF时，不在明显改善说明此时已经最靠近极点频率，如果再增大可能会出现反效果，而远离极点频率。

图9是一个Ⅲ型补偿电路的响应图，可以在实际的响应过程中明确零极点的位置，通过此图可以更清晰地看到零极点的转换，也可有助于选择参数。

3 结论

本文介绍了由TI的TPS40140作为控制器的一整套板级供电方案，利用TPS40140显著提高了负载处理能力，并简化了系统设计，帮助计人员更轻松地开发高效工作的完整多相电源系统，并在实际电路中对反馈电路参数的计算方法进行了验证。

图9 Ⅲ型补偿电路的响应

［1］Texas Instruments.Dual or 2-phase，stackable controller［R/OL］.［2011-09-15］.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps40140.pdf.

［2］PRESSMAN A.Switching power supply design［M］.［S.l.］:McGraw-Hill Companies，2005.

［3］Texas Instruments.Loop stability analysis of voltage mode buck regulator［R/OL］.［2011-09-15］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slva301/slva301.pdf.

［4］Texas Instruments.Designing stable control loops［R/OL］.［2011-09-15］.http://www.datasheetarchive.com/Designing Stable Control Loops，SEM 1400，2001 Se-datasheet.html.