TPS54231D - DC to DC Convertor

8/9/2019 TPS54231D - DC to DC Convertor

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1 F E A T U R E S D E S C R I P T I O N

A P P L I C A T I O N S

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10

Efficiency-

%

I -LoadCurrent- AL

V =3 .3 VO

V =12VI

V =18VI

V =24VI

V =28VI

V =5VIPH

VIN

GND

BOOT

VSENSE

COMP

SS

CSS

D1

VIN

VOUT

EN

TPS54231

CI

CBOOT

LO

CO

Ren1

RO2

C1

C2

R3

Ren2

RO1

T P S 5 4 2 3 1

w w w . t i . c o m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S L U S 8 5 1 O C T O B E R 2 0 0 8

2 A , 2 8 V I N P U T , S T E P D O W N S W I F T D C / D C C O N V E R T E R W I T H E C O - M O D E

2 3 . 5 V t o 2 8 V I n p u t V o l t a g e R a n g e

A d j u s t a b l e O u t p u t V o l t a g e D o w n t o 0 . 8 V T h e T P S 5 4 2 3 1 i s a 2 8 - V , 2 - A n o n - s y n c h r o n o u s b u c k c o n v e r t e r t h a t i n t e g r a t e s a l o w R D S ( o n ) h i g h s i d e I n t e g r a t e d 8 0 m H i g h S i d e M O S F E T S u p p o r t s M O S F E T . T o i n c r e a s e e f f i c i e n c y a t l i g h t l o a d s , a u p t o 2 A C o n t i n u o u s O u t p u t C u r r e n t p u l s e s k i p p i n g E c o - m o d e f e a t u r e i s a u t o m a t i c a l l y

H i g h E f f i c i e n c y a t L i g h t L o a d s w i t h a P u l s e a c t i v a t e d . F u r t h e r m o r e , t h e 1 A s h u t d o w n s u p p l y S k i p p i n g E c o - m o d e c u r r e n t a l l o w s t h e d e v i c e t o b e u s e d i n b a t t e r y

p o w e r e d a p p l i c a t i o n s . C u r r e n t m o d e c o n t r o l w i t h F i x e d 5 7 0 k H z S w i t c h i n g F r e q u e n c y i n t e r n a l s l o p e c o m p e n s a t i o n s i m p l i f i e s t h e e x t e r n a l

T y p i c a l 1 A S h u t d o w n Q u i e s c e n t C u r r e n t c o m p e n s a t i o n c a l c u l a t i o n s a n d r e d u c e s c o m p o n e n t

A d j u s t a b l e S l o w S t a r t L i m i t s I n r u s h C u r r e n t s c o u n t w h i l e a l l o w i n g t h e u s e o f c e r a m i c o u t p u t c a p a c i t o r s . A r e s i s t o r d i v i d e r p r o g r a m s t h e h y s t e r e s i s P r o g r a m m a b l e U V L O T h r e s h o l d o f t h e i n p u t u n d e r - v o l t a g e l o c k o u t . A n o v e r v o l t a g e O v e r v o l t a g e T r a n s i e n t P r o t e c t i o n t r a n s i e n t p r o t e c t i o n c i r c u i t l i m i t s v o l t a g e o v e r s h o o t s

C y c l e b y C y c l e C u r r e n t L i m i t , F r e q u e n c y F o l d d u r i n g s t a r t u p a n d t r a n s i e n t c o n d i t i o n s . A c y c l e b y B a c k a n d T h e r m a l S h u t d o w n P r o t e c t i o n c y c l e c u r r e n t l i m i t s c h e m e , f r e q u e n c y f o l d b a c k a n d t h e r m a l s h u t d o w n p r o t e c t t h e d e v i c e a n d t h e l o a d i n A v a i l a b l e i n E a s y - t o - U s e S O I C 8 P a c k a g e t h e e v e n t o f a n o v e r l o a d c o n d i t i o n . T h e T P S 5 4 2 3 1 i s

S u p p o r t e d b y S w i t c h e r P r o S o f t w a r e T o o l a v a i l a b l e i n a n 8 - p i n S O I C p a c k a g e t h a t h a s b e e n (h t t p : / / f o c u s . t i . c o m / d o c s / t o o l s w / f o l d e r s / p r i n t / s i n t e r n a l l y o p t i m i z e d t o i m p r o v e t h e r m a l p e r f o r m a n c e .

w i t c h e r p r o . h t m l )

F o r S W I F T D o c u m e n t a t i o n , S e e t h e T I W e b s i t e a t w w w . t i . c o m / s w i f t

C o n s u m e r A p p l i c a t i o n s s u c h a s S e t - T o p B o x e s , C P E E q u i p m e n t , L C D D i s p l a y s , P e r i p h e r a l s , a n d B a t t e r y C h a r g e r s

I n d u s t r i a l a n d C a r A u d i o P o w e r S u p p l i e s

5 V , 1 2 V a n d 2 4 V D i s t r i b u t e d P o w e r S y s t e m s

S I M P L I F I E D S C H E M A T I C E F F I C I E N C Y

1

P l e a s e b e a w a r e t h a t a n i m p o r t a n t n o t i c e c o n c e r n i n g a v a i l a b i l i t y , s t a n d a r d w a r r a n t y , a n d u s e i n c r i t i c a l a p p l i c a t i o n s o f T e x a s I n s t r u m e n t s s e m i c o n d u c t o r p r o d u c t s a n d d i s c l a i m e r s t h e r e t o a p p e a r s a t t h e e n d o f t h i s d a t a s h e e t .

2 S W I F T , E c o - m o d e , S w i t c h e r P r o a r e t r a d e m a r k s o f T e x a s I n s t r u m e n t s .

P R O D U C T I O N D A T A i n f o r m a t i o n i s c u r r e n t a s o f p u b l i c a t i o n d a t e . C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d P r o d u c t s c o n f o r m t o s p e c i f i c a t i o n s p e r t h e t e r m s o f t h e T e x a s I n s t r u m e n t s s t a n d a r d w a r r a n t y . P r o d u c t i o n p r o c e s s i n g d o e s n o t

n e c e s s a r i ly i n c l u d e t e s t i n g o f a l l p a r a m e t e r s .
http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.htmlhttp://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.htmlhttp://www.ti.com/swifthttp://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.htmlhttp://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.htmlhttp://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps54231.html


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A B S O L U T E M A X I M U M R A T I N G S ( 1 )

P A C K A G E D I S S I P A T I O N R A T I N G S ( 1 ) ( 2 ) ( 3 )

T P S 5 4 2 3 1

S L U S 8 5 1 O C T O B E R 2 0 0 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . w w w . t i . c o m

T h e s e d e v i c e s h a v e l i m i t e d b u i l t - i n E S D p r o t e c t i o n . T h e l e a d s s h o u l d b e s h o r t e d t o g e t h e r o r t h e d e v i c e p l a c e d i n c o n d u c t i v e f o a m d u r i n g s t o r a g e o r h a n d l i n g t o p r e v e n t e l e c t r o s t a t i c d a m a g e t o t h e M O S g a t e s .

O R D E R I N G I N F O R M A T I O N ( 1 )

TJ P A C K A G E S W I T C H I N G F R E Q U E N C Y P A R T N U M B E R ( 2 )

4 0 C t o 1 5 0 C 8 p i n S O I C 5 7 0 k H z T P S 5 4 2 3 1 D

( 1 ) F o r t h e m o s t c u r r e n t p a c k a g e a n d o r d e r i n g i n f o r m a t i o n , s e e t h e P a c k a g e O p t i o n A d d e n d u m a t t h e e n d o f t h i s d o c u m e n t , o r s e e t h e T I w e b s i t e a t w w w . t i . c o m .

( 2 ) T h e D p a c k a g e i s a l s o a v a i l a b l e t a p e d a n d r e e l e d . A d d a n R s u f f i x t o t h e d e v i c e t y p e ( i . e . , T P S 5 4 2 3 1 D R ) . S e e a p p l i c a t i o n s s e c t i o n o f d a t a s h e e t f o r l a y o u t i n f o r m a t i o n .

o v e r o p e r a t i n g f r e e - a i r t e m p e r a t u r e r a n g e ( u n l e s s o t h e r w i s e n o t e d )

V A L U E U N I T

V I N 0 . 3 t o 3 0

E N 0 . 3 t o 5

B O O T 3 8

I n p u t V o l t a g e V V S E N S E 0 . 3 t o 3

C O M P 0 . 3 t o 3

S S 0 . 3 t o 3

B O O T - P H 8

O u t p u t V o l t a g e P H 0 . 6 t o 3 0 V

P H ( 1 0 n s t r a n s i e n t f r o m g r o u n d t o n e g a t i v e p e a k ) 5

E N 1 0 0 A

B O O T 1 0 0 m A S o u r c e C u r r e n t

V S E N S E 1 0 A

P H 6 A

V I N 6 A

S i n k C u r r e n t C O M P 1 0 0 AS S 2 0 0

E l e c t r o s t a t i c D i s c h a r g e ( H B M ) 2 k V

E l e c t r o s t a t i c D i s c h a r g e ( C D M ) 5 0 0 V

O p e r a t i n g J u n c t i o n T e m p e r a t u r e 4 0 t o 1 5 0 C

S t o r a g e T e m p e r a t u r e 6 5 t o 1 5 0 C

( 1 ) S t r e s s e s b e y o n d t h o s e l i s t e d u n d e r a b s o l u t e m a x i m u m r a t i n g s m a y c a u s e p e r m a n e n t d a m a g e t o t h e d e v i c e . T h e s e a r e s t r e s s r a t i n g s o n l y , a n d f u n c t i o n a l o p e r a t i o n o f t h e d e v i c e a t t h e s e o r a n y o t h e r c o n d i t i o n s b e y o n d t h o s e i n d i c a t e d u n d e r r e c o m m e n d e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s i s n o t i m p l i e d . E x p o s u r e t o a b s o l u t e - m a x i m u m - r a t e d c o n d i t i o n s f o r e x t e n d e d p e r i o d s m a y a f f e c t d e v i c e r e l i a b i l i t y .

P A C K A G E T H E R M A L I M P E D A N C E J U N C T I O N T O P S E U D O T H E R M A L I M P E D A N C E J U N C T I O N T O A M B I E N T T O P

S O I C 8 1 0 0 C / W 5 C / W

( 1 ) M a x i m u m p o w e r d i s s i p a t i o n m a y b e l i m i t e d b y o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o n ( 2 ) P o w e r r a t i n g a t a s p e c i f i c a m b i e n t t e m p e r a t u r e T A s h o u l d b e d e t e r m i n e d w i t h a j u n c t i o n t e m p e r a t u r e o f 1 5 0 C . T h i s i s t h e p o i n t w h e r e

d i s t o r t i o n s t a r t s t o s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e . T h e r m a l m a n a g e m e n t o f t h e P C B s h o u l d s t r i v e t o k e e p t h e j u n c t i o n t e m p e r a t u r e a t o r b e l o w 1 5 0 C f o r b e s t p e r f o r m a n c e a n d l o n g - t e r m r e l i a b i l i t y . S e e p o w e r d i s s i p a t i o n e s t i m a t e i n a p p l i c a t i o n s e c t i o n o f t h i s d a t a s h e e t f o r m o r e i n f o r m a t i o n .

( 3 ) T e s t b o a r d c o n d i t i o n s : a . 2 i n c h e s x 1 . 5 i n c h e s , 2 l a y e r s , t h i c k n e s s : 0 . 0 6 2 i n c h b . 2 - o u n c e c o p p e r t r a c e s l o c a t e d o n t h e t o p a n d b o t t o m o f t h e P C B c . 6 t h e r m a l v i a s l o c a t e d u n d e r t h e d e v i c e p a c k a g e

2 S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d

P r o d u c t F o l d e r L i n k ( s ) : T P S 5 4 2 3 1
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3/23

R E C O M M E N D E D O P E R A T I N G C O N D I T I O N S

E L E C T R I C A L C H A R A C T E R I S T I C S

T P S 5 4 2 3 1


o v e r o p e r a t i n g f r e e - a i r t e m p e r a t u r e r a n g e ( u n l e s s o t h e r w i s e n o t e d )

M I N T Y P M A X U N I T

O p e r a t i n g I n p u t V o l t a g e o n ( V I N p i n ) 3 . 5 2 8 V

O p e r a t i n g j u n c t i o n t e m p e r a t u r e , T J 4 0 1 5 0 C

TJ = 4 0 C t o 1 5 0 C , V I N = 3 . 5 V t o 2 8 V ( u n l e s s o t h e r w i s e n o t e d )

D E S C R I P T I O N T E S T C O N D I T I O N S M I N T Y P M A X U N I T

S U P P L Y V O L T A G E ( V I N P I N )

I n t e r n a l u n d e r v o l t a g e l o c k o u t t h r e s h o l d R i s i n g a n d F a l l i n g 3 . 5 V

S h u t d o w n s u p p l y c u r r e n t E N = 0 V , V I N = 1 2 V , 4 0 C t o 8 5 C 1 4 A

O p e r a t i n g n o n s w i t c h i n g s u p p l y c u r r e n t V S E N S E = 0 . 8 5 V 7 5 1 1 0 A

E N A B L E A N D U V L O ( E N P I N )

E n a b l e t h r e s h o l d R i s i n g a n d F a l l i n g 1 . 2 5 1 . 3 5 V

I n p u t c u r r e n t E n a b l e t h r e s h o l d 5 0 m V - 1 A

I n p u t c u r r e n t E n a b l e t h r e s h o l d + 5 0 m V - 4 A

V O L T A G E R E F E R E N C E

V o l t a g e r e f e r e n c e 0 . 7 7 2 0 . 8 0 . 8 2 8 V

H I G H - S I D E M O S F E T

O n r e s i s t a n c e B O O T - P H = 3 V , V I N = 3 . 5 V 1 1 5 2 0 0 m

B O O T - P H = 6 V , V I N = 1 2 V 8 0 1 5 0

E R R O R A M P L I F I E R

E r r o r a m p l i f i e r t r a n s c o n d u c t a n c e ( g m ) 2 A < I( C O M P ) < 2 A , V( C O M P ) = 1 V 9 2 m h o s

E r r o r a m p l i f i e r D C g a i n ( 1 ) V S E N S E = 0 . 8 V 8 0 0 V / V

E r r o r a m p l i f i e r u n i t y g a i n b a n d w i d t h ( 1 ) 5 p F c a p a c i t a n c e f r o m C O M P t o G N D p i n s 2 . 7 M H z

E r r o r a m p l i f i e r s o u r c e / s i n k c u r r e n t V ( C O M P ) = 1 V , 1 0 0 m V o v e r d r i v e 7 A

S w i t c h c u r r e n t t o C O M P t r a n s c o n d u c t a n c e V I N = 1 2 V 9 A / V

S W I T C H I N G F R E Q U E N C Y T P S 5 4 2 3 1 S w i t c h i n g F r e q u e n c y V I N = 1 2 V 4 0 0 5 7 0 7 4 0 k H z

M i n i m u m c o n t r o l l a b l e o n t i m e V I N = 1 2 V , 2 5 C 1 0 5 1 3 0 n s

M a x i m u m c o n t r o l l a b l e d u t y r a t i o ( 1 ) B O O T - P H = 6 V 9 0 9 3 %

P U L S E S K I P P I N G E C O - M O D E

P u l s e s k i p p i n g E c o - m o d e s w i t c h c u r r e n t t h r e s h o l d 1 0 0 m A

C U R R E N T L I M I T

C u r r e n t l i m i t t h r e s h o l d V I N = 1 2 V 2 . 3 3 . 5 A

T H E R M A L S H U T D O W N

T h e r m a l S h u t d o w n 1 6 5 C

S L O W S T A R T ( S S P I N )

C h a r g e c u r r e n t V ( S S ) = 0 . 4 V 2 A

S S t o V S E N S E m a t c h i n g V ( S S ) = 0 . 4 V 1 0 m V

( 1 ) S p e c i f i e d b y d e s i g n

C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k 3



4/23

D E V I C E I N F O R M A T I O N

P I N A S S I G N M E N T S

1

2

3

4 5

6

7

8BOOT

VIN

EN

SS

PH

GND

COMP

VSENSE

T P S 5 4 2 3 1


P I N F U N C T I O N S

P I N D E S C R I P T I O N

N A M E N O .

B O O T 1 A 0 . 1 F b o o t s t r a p c a p a c i t o r i s r e q u i r e d b e t w e e n B O O T a n d P H . I f t h e v o l t a g e o n t h i s c a p a c i t o r f a l l s b e l o w t h e m i n i m u m r e q u i r e m e n t , t h e h i g h - s i d e M O S F E T i s f o r c e d t o s w i t c h o f f u n t i l t h e c a p a c i t o r i s r e f r e s h e d .

V I N 2 I n p u t s u p p l y v o l t a g e , 3 . 5 V t o 2 8 V .

E N 3 E n a b l e p i n . P u l l b e l o w 1 . 2 5 V t o d i s a b l e . F l o a t t o e n a b l e . P r o g r a m m i n g t h e i n p u t u n d e r v o l t a g e l o c k o u t w i t h t w o r e s i s t o r s i s r e c o m m e n d e d .

S S 4 S l o w s t a r t p i n . A n e x t e r n a l c a p a c i t o r c o n n e c t e d t o t h i s p i n s e t s t h e o u t p u t r i s e t i m e .

V S E N S E 5 I n v e r t i n g n o d e o f t h e g m e r r o r a m p l i f i e r .

C O M P 6 E r r o r a m p l i f i e r o u t p u t , a n d i n p u t t o t h e P W M c o m p a r a t o r . C o n n e c t f r e q u e n c y c o m p e n s a t i o n c o m p o n e n t s t o t h i s p i n .

G N D 7 G r o u n d .

P H 8 T h e s o u r c e o f t h e i n t e r n a l h i g h - s i d e p o w e r M O S F E T .




5/23

ErrorAmplifier

RQ

S

BootCharge

BootUVLO

CurrentSense

OscillatorFrequency

Shift

GateDriveLogic

SlopeCompensation

PWMLatch

PWMComparator

ECO-MODEMinimumClamp

MaximumClamp

VoltageReference

DischargeLogic

VSENSE

COMP

PH

BOOT

VIN

GND

ThermalShutdown

EN

EnableComparator

ShutdownLogic

Shutdown

EnableThreshold

S

1.25V

0.8V

80mW

165C

2.1V

9 A/V

SS

Shutdown

VSENSE

1 Am 3 Am

gm=92 A/VDCgain=800V/V

BW=2.7MHz

m

2kW

2 Am

T Y P I C A L C H A R A C T E R I S T I C S

C H A R A C T E R I Z A T I O N C U R V E S

60

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

T -JunctionTemperature-CJ

Rdson

-OnResistance-m

W

VIN=12V

0

1

2

3

4

3 8 13 18 23 28

V -InputVoltage-VI

Isd-

Sh

utdownCurrent-

Am

EN=0V T =150CJ

T =25CJ

T =-40CJ

550

555

560

565

570

575

580

585

590

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

fsw

-Osc

illatorFrequency-

kHz


VIN=12V

T P S 5 4 2 3 1


F U N C T I O N A L B L O C K D I A G R A M

O N R E S I S T A N C E S H U T D O W N Q U I E S C E N T C U R R E N T S W I T C H I N G F R E Q U E N C Y v s v s v s

J U N C T I O N T E M P E R A T U R E I N P U T V O L T A G E J U N C T I O N T E M P E R A T U R E

F i g u r e 1 . F i g u r e 2 . F i g u r e 3 .


http://www.go-dsp.com/forms/techdoc/doc_feedback.htm?litnum=SLUS851&partnum=TPS54231http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps54231.htmlhttp://www.go-dsp.com/forms/techdoc/doc_feedback.htm?litnum=SLUS851&partnum=TPS54231http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps54231.html


6/23

0.7760

0.7820

0.7880

0.7940

0.8000

0.8060

0.8120

0.8180

0.8240

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

Vre

f-

Vo

ltage

Re

ference-

V


5.50

5.75

6

6.25

6.50

6.75

7

7.25

7.50

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

Minimum

ControllableDutyRatio-

%


VIN=12V

100

110

120

130

140

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

Tonmin-

Minimum

ControllableOnTime-ns


VIN=12V

1.90

2

2.10

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

I

-Slow

Star

tCharge

Curren

t-

A

SS

m


3 8 13 18 23 28

V -InputVoltage-VI

CurrentLimitThreshold

-A

3

3.5

4

T =25CJ

T =-40CJ

T =150CJ

S U P P L E M E N T A L A P P L I C A T I O N C U R V E S

3 8 13 18 23 28

V

-Ou

tpu

tVo

ltage-

V

O

V -InputVolatage-VI

0.75

0.85

0.95

1.05

1.15

1.25

I = 2 AO

I = 1 AO

3 8 13 18 23 28

0

5

10

15

20

25

30

V

-Ou

tpu

tVo

ltage-

V

O

V -InputVoltage-VI

I = 2 AO

I = 1 AO

25

50

75

100

125

150

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

P -PowerDissipation-WD

T-

JunctionTemperature-

C

J

T P S 5 4 2 3 1


T Y P I C A L C H A R A C T E R I S T I C S ( c o n t i n u e d )

M I N I M U M C O N T R O L L A B L E O N M I N I M U M C O N T R O L L A B L E D U T Y V O L T A G E R E F E R E N C E T I M E R A T I O

v s v s v s J U N C T I O N T E M P E R A T U R E J U N C T I O N T E M P E R A T U R E J U N C T I O N T E M P E R A T U R E

F i g u r e 4 . F i g u r e 5 . F i g u r e 6 .

S S C H A R G E C U R R E N T C U R R E N T L I M I T T H R E S H O L D v s v s

J U N C T I O N T E M P E R A T U R E I N P U T V O L T A G E

F i g u r e 7 . F i g u r e 8 .

T Y P I C A L M I N I M U M O U T P U T T Y P I C A L M A X I M U M O U T P U T V O L T A G E V O L T A G E M A X I M U M P O W E R D I S S I P A T I O N

v s v s v s I N P U T V O L T A G E I N P U T V O L T A G E J U N C T I O N T E M P E R A T U R E

F i g u r e 9 . F i g u r e 1 0 . F i g u r e 1 1 .




7/23

O V E R V I E W

D E T A I L E D D E S C R I P T I O N

F I X E D F R E Q U E N C Y P W M C O N T R O L

E C O - M O D E T M

V O L T A G E R E F E R E N C E ( V r e f )

B O O T S T R A P V O L T A G E ( B O O T )

T P S 5 4 2 3 1


T Y P I C A L C H A R A C T E R I S T I C S ( c o n t i n u e d )

T h e T P S 5 4 2 3 1 i s a 2 8 - V , 2 - A , s t e p - d o w n ( b u c k ) c o n v e r t e r w i t h a n i n t e g r a t e d h i g h - s i d e n - c h a n n e l M O S F E T . T o i m p r o v e p e r f o r m a n c e d u r i n g l i n e a n d l o a d t r a n s i e n t s , t h e d e v i c e i m p l e m e n t s a c o n s t a n t f r e q u e n c y , c u r r e n t m o d e c o n t r o l w h i c h r e d u c e s o u t p u t c a p a c i t a n c e a n d s i m p l i f i e s e x t e r n a l f r e q u e n c y c o m p e n s a t i o n d e s i g n . T h e

T P S 5 4 2 3 1 h a s a p r e - s e t s w i t c h i n g f r e q u e n c y o f 5 7 0 k H z . T h e T P S 5 4 2 3 1 n e e d s a m i n i m u m i n p u t v o l t a g e o f 3 . 5 V t o o p e r a t e n o r m a l l y . T h e E N p i n h a s a n i n t e r n a l p u l l - u p c u r r e n t s o u r c e t h a t c a n b e u s e d t o a d j u s t t h e i n p u t v o l t a g e u n d e r - v o l t a g e l o c k o u t ( U V L O ) w i t h t w o e x t e r n a l r e s i s t o r s . I n a d d i t i o n , t h e p u l l - u p c u r r e n t p r o v i d e s a d e f a u l t c o n d i t i o n w h e n t h e E N p i n i s f l o a t i n g f o r t h e d e v i c e t o o p e r a t e . T h e o p e r a t i n g c u r r e n t i s 7 5 A t y p i c a l l y w h e n n o t s w i t c h i n g a n d u n d e r n o l o a d . W h e n t h e d e v i c e i s d i s a b l e d , t h e s u p p l y c u r r e n t i s 1 A t y p i c a l l y .

T h e i n t e g r a t e d 8 0 m h i g h - s i d e M O S F E T a l l o w s f o r h i g h e f f i c i e n c y p o w e r s u p p l y d e s i g n s w i t h c o n t i n u o u s o u t p u t c u r r e n t s u p t o 2 A .

T h e T P S 5 4 2 3 1 r e d u c e s t h e e x t e r n a l c o m p o n e n t c o u n t b y i n t e g r a t i n g t h e b o o t r e c h a r g e d i o d e . T h e b i a s v o l t a g e f o r t h e i n t e g r a t e d h i g h - s i d e M O S F E T i s s u p p l i e d b y a n e x t e r n a l c a p a c i t o r o n t h e B O O T t o P H p i n . T h e b o o t c a p a c i t o r v o l t a g e i s m o n i t o r e d b y a n U V L O c i r c u i t a n d w i l l t u r n t h e h i g h - s i d e M O S F E T o f f w h e n t h e v o l t a g e f a l l s b e l o w a p r e s e t t h r e s h o l d o f 2 . 1 V t y p i c a l l y . T h e o u t p u t v o l t a g e c a n b e s t e p p e d d o w n t o a s l o w a s t h e r e f e r e n c e v o l t a g e .

B y a d d i n g a n e x t e r n a l c a p a c i t o r , t h e s l o w s t a r t t i m e o f t h e T P S 5 4 2 3 1 c a n b e a d j u s t a b l e w h i c h e n a b l e s f l e x i b l e o u t p u t f i l t e r s e l e c t i o n .

T o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y a t l i g h t l o a d c o n d i t i o n s , t h e T P S 5 4 2 3 1 e n t e r s a s p e c i a l p u l s e s k i p p i n g E c o - m o d e T M

w h e n t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t d r o p s b e l o w 1 0 0 m A t y p i c a l l y .

T h e f r e q u e n c y f o l d b a c k r e d u c e s t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y d u r i n g s t a r t u p a n d o v e r c u r r e n t c o n d i t i o n s t o h e l p c o n t r o l t h e i n d u c t o r c u r r e n t . T h e t h e r m a l s h u t d o w n g i v e s t h e a d d i t i o n a l p r o t e c t i o n u n d e r f a u l t c o n d i t i o n s .

T h e T P S 5 4 2 3 1 u s e s a f i x e d f r e q u e n c y , p e a k c u r r e n t m o d e c o n t r o l . T h e i n t e r n a l s w i t c h i n g f r e q u e n c y o f t h e

T P S 5 4 2 3 1 i s f i x e d a t 5 7 0 k H z .

T h e T P S 5 4 2 3 1 i s d e s i g n e d t o o p e r a t e i n p u l s e s k i p p i n g E c o - m o d e T M a t l i g h t l o a d c u r r e n t s t o b o o s t l i g h t l o a d e f f i c i e n c y . W h e n t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t i s l o w e r t h a n 1 0 0 m A t y p i c a l l y , t h e C O M P p i n v o l t a g e f a l l s t o 0 . 5 V t y p i c a l l y a n d t h e d e v i c e e n t e r s E c o - m o d e T M . W h e n t h e d e v i c e i s i n E c o - m o d e T M , t h e C O M P p i n v o l t a g e i s c l a m p e d a t 0 . 5 V i n t e r n a l l y w h i c h p r e v e n t s t h e h i g h s i d e i n t e g r a t e d M O S F E T f r o m s w i t c h i n g . T h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t m u s t r i s e a b o v e 1 0 0 m A f o r t h e C O M P p i n v o l t a g e t o r i s e a b o v e 0 . 5 V a n d e x i t E c o - m o d e T M . S i n c e t h e i n t e g r a t e d c u r r e n t c o m p a r a t o r c a t c h e s t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t o n l y , t h e a v e r a g e l o a d c u r r e n t e n t e r i n g E c o - m o d e T M v a r i e s w i t h t h e a p p l i c a t i o n s a n d e x t e r n a l o u t p u t f i l t e r s .

T h e v o l t a g e r e f e r e n c e s y s t e m p r o d u c e s a 2 % i n i t i a l a c c u r a c y v o l t a g e r e f e r e n c e ( 3 . 5 % o v e r t e m p e r a t u r e ) b y s c a l i n g t h e o u t p u t o f a t e m p e r a t u r e s t a b l e b a n d g a p c i r c u i t . T h e t y p i c a l v o l t a g e r e f e r e n c e i s d e s i g n e d a t 0 . 8 V .

T h e T P S 5 4 2 3 1 h a s a n i n t e g r a t e d b o o t r e g u l a t o r a n d r e q u i r e s a 0 . 1 F c e r a m i c c a p a c i t o r b e t w e e n t h e B O O T a n d P H p i n t o p r o v i d e t h e g a t e d r i v e v o l t a g e f o r t h e h i g h - s i d e M O S F E T . A c e r a m i c c a p a c i t o r w i t h a n X 7 R o r X 5 R g r a d e d i e l e c t r i c i s r e c o m m e n d e d b e c a u s e o f t h e s t a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o v e r t e m p e r a t u r e a n d v o l t a g e . T o i m p r o v e d r o p o u t , t h e T P S 5 4 2 3 1 i s d e s i g n e d t o o p e r a t e a t 1 0 0 % d u t y c y c l e a s l o n g a s t h e B O O T t o P H p i n v o l t a g e i s g r e a t e r t h a n 2 . 1 V t y p i c a l l y .




8/23

E N A B L E A N D A D J U S T A B L E I N P U T U N D E R - V O L T A G E L O C K O U T ( V I N U V L O )

EN

1.25V

VIN

+

-

Ren1

Ren2

1 Am 3 Am

START STOPV - VRen1 =

3 Am ( 1 )

EN

START EN

VRen2 =

V - V+ 1 A

Ren1m

( 2 )

P R O G R A M M A B L E S L O W S T A R T U S I N G S S P I N

( )( ) ( )

( )SS ref

SS

SS

C nF V VT ms =

I A

m( 3 )

E R R O R A M P L I F I E R

S L O P E C O M P E N S A T I O N

T P S 5 4 2 3 1


T h e E N p i n h a s a n i n t e r n a l p u l l - u p c u r r e n t s o u r c e t h a t p r o v i d e s t h e d e f a u l t c o n d i t i o n o f t h e T P S 5 4 2 3 1 o p e r a t i n g w h e n t h e E N p i n f l o a t s .

T h e T P S 5 4 2 3 1 i s d i s a b l e d w h e n t h e V I N p i n v o l t a g e f a l l s b e l o w i n t e r n a l V I N U V L O t h r e s h o l d . I t i s r e c o m m e n d e d t o u s e a n e x t e r n a l V I N U V L O t o a d d H y s t e r e s i s u n l e s s V I N i s g r e a t e r t h a n ( V O U T + 2 V ) . T o a d j u s t t h e V I N

U V L O w i t h H y s t e r e s i s , u s e t h e e x t e r n a l c i r c u i t r y c o n n e c t e d t o t h e E N p i n a s s h o w n i n F i g u r e 1 2 . O n c e t h e E N p i n v o l t a g e e x c e e d s 1 . 2 5 V , a n a d d i t i o n a l 3 A o f h y s t e r e s i s i s a d d e d . U s e E q u a t i o n 1 a n d E q u a t i o n 2 t oc a l c u l a t e t h e r e s i s t o r v a l u e s n e e d e d f o r t h e d e s i r e d V I N U V L O t h r e s h o l d v o l t a g e s . T h e V S T A R T i s t h e i n p u t s t a r t t h r e s h o l d v o l t a g e , t h e V S T O P i s t h e i n p u t s t o p t h r e s h o l d v o l t a g e a n d t h e V E N i s t h e e n a b l e t h r e s h o l d v o l t a g e o f 1 . 2 5 V . T h e V S T O P s h o u l d a l w a y s b e g r e a t e r t h a n 3 . 5 V .

F i g u r e 1 2 . A d j u s t a b l e I n p u t U n d e r - V o l t a g e L o c k o u t

I t i s h i g h l y r e c o m m e n d e d t o p r o g r a m t h e s l o w s t a r t t i m e e x t e r n a l l y b e c a u s e n o s l o w s t a r t t i m e i s i m p l e m e n t e d i n t e r n a l l y . T h e T P S 5 4 2 3 1 e f f e c t i v e l y u s e s t h e l o w e r v o l t a g e o f t h e i n t e r n a l v o l t a g e r e f e r e n c e o r t h e S S p i n v o l t a g e a s t h e p o w e r s u p p l y s r e f e r e n c e v o l t a g e f e d i n t o t h e e r r o r a m p l i f i e r a n d w i l l r e g u l a t e t h e o u t p u t a c c o r d i n g l y . A c a p a c i t o r ( C s s ) o n t h e S S p i n t o g r o u n d i m p l e m e n t s a s l o w s t a r t t i m e . T h e T P S 5 4 2 3 1 h a s a n i n t e r n a l p u l l - u p c u r r e n t s o u r c e o f 2 A t h a t c h a r g e s t h e e x t e r n a l s l o w s t a r t c a p a c i t o r . T h e e q u a t i o n f o r t h e s l o w s t a r t t i m e ( 1 0 % t o 9 0 % ) i s s h o w n i n E q u a t i o n 3 . T h e V r e f i s 0 . 8 V a n d t h e I s s c u r r e n t i s 2 A .

T h e s l o w s t a r t t i m e s h o u l d b e s e t b e t w e e n 1 m s t o 1 0 m s t o e n s u r e g o o d s t a r t - u p b e h a v i o r . T h e s l o w s t a r t c a p a c i t o r s h o u l d b e n o m o r e t h a n 2 7 n F .

I f d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n , t h e i n p u t v o l t a g e d r o p s b e l o w t h e V I N U V L O t h r e s h o l d , o r t h e E N p i n i s p u l l e d b e l o w 1 . 2 5 V , o r a t h e r m a l s h u t d o w n e v e n t o c c u r s , t h e T P S 5 4 2 3 1 s t o p s s w i t c h i n g .

T h e T P S 5 4 2 3 1 h a s a t r a n s c o n d u c t a n c e a m p l i f i e r f o r t h e e r r o r a m p l i f i e r . T h e e r r o r a m p l i f i e r c o m p a r e s t h e V S E N S E v o l t a g e t o t h e i n t e r n a l e f f e c t i v e v o l t a g e r e f e r e n c e p r e s e n t e d a t t h e i n p u t o f t h e e r r o r a m p l i f i e r . T h e t r a n s c o n d u c t a n c e o f t h e e r r o r a m p l i f i e r i s 9 2 A / V d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n . F r e q u e n c y c o m p e n s a t i o n c o m p o n e n t s a r e c o n n e c t e d b e t w e e n t h e C O M P p i n a n d g r o u n d .

I n o r d e r t o p r e v e n t t h e s u b - h a r m o n i c o s c i l l a t i o n s w h e n o p e r a t i n g t h e d e v i c e a t d u t y c y c l e s g r e a t e r t h a n 5 0 % , t h e T P S 5 4 2 3 1 a d d s a b u i l t - i n s l o p e c o m p e n s a t i o n w h i c h i s a c o m p e n s a t i n g r a m p t o t h e s w i t c h c u r r e n t s i g n a l .




9/23

C U R R E N T M O D E C O M P E N S A T I O N D E S I G N

O V E R C U R R E N T P R O T E C T I O N A N D F R E Q U E N C Y S H I F T

O V E R V O L T A G E T R A N S I E N T P R O T E C T I O N

T H E R M A L S H U T D O W N

T P S 5 4 2 3 1


T o s i m p l i f y d e s i g n e f f o r t s u s i n g t h e T P S 5 4 2 3 1 , t h e t y p i c a l d e s i g n s f o r c o m m o n a p p l i c a t i o n s a r e l i s t e d i n T a b l e 1 .F o r d e s i g n s u s i n g c e r a m i c o u t p u t c a p a c i t o r s , p r o p e r d e r a t i n g o f c e r a m i c o u t p u t c a p a c i t a n c e i s r e c o m m e n d e d w h e n d o i n g t h e s t a b i l i t y a n a l y s i s . T h i s i s b e c a u s e t h e a c t u a l c e r a m i c c a p a c i t a n c e d r o p s c o n s i d e r a b l y f r o m t h e n o m i n a l v a l u e w h e n t h e a p p l i e d v o l t a g e i n c r e a s e s . A d v a n c e d u s e r s m a y r e f e r t o t h e S t e p b y S t e p D e s i g n P r o c e d u r e i n t h e A p p l i c a t i o n I n f o r m a t i o n s e c t i o n f o r t h e d e t a i l e d g u i d e l i n e s o r u s e S w i t c h e r P r o S o f t w a r e t o o l

(h t t p : / / f o c u s . t i . c o m / d o c s / t o o l s w / f o l d e r s / p r i n t / s w i t c h e r p r o . h t m l ) .

T a b l e 1 . T y p i c a l D e s i g n s ( R e f e r r i n g t o S i m p l i f i e d S c h e m a t i c o n p a g e 1 )

V I N V O U T F s w Lo Co RO 1 RO 2 C2 C1 R3( V ) ( V ) ( k H z ) ( H ) ( k ) ( k) ( p F ) ( p F ) ( k )

1 2 5 5 7 0 1 5 C e r a m i c 3 3 F 1 0 1 . 9 1 4 7 1 8 0 0 2 1

1 2 3 . 3 5 7 0 1 0 C e r a m i c 4 7 F 1 0 3 . 2 4 4 7 4 7 0 0 2 1

1 2 1 . 8 5 7 0 6 . 8 C e r a m i c 1 0 0 F 1 0 8 . 0 6 4 7 4 7 0 0 2 1

1 2 0 . 9 5 7 0 4 . 7 C e r a m i c 1 0 0 F x 2 1 0 8 0 . 6 4 7 4 7 0 0 2 1

1 2 5 5 7 0 1 5 A l u m i n u m 3 3 0 F / 1 6 0 m 1 0 1 . 9 1 4 7 2 2 0 4 0 . 2

1 2 3 . 3 5 7 0 1 0 A l u m i n u m 4 7 0 F / 1 6 0 m 1 0 3 . 2 4 4 7 2 2 0 2 1

1 2 1 . 8 5 7 0 6 . 8 S P 1 0 0 F / 1 5 m 1 0 8 . 0 6 4 7 4 7 0 0 4 0 . 2

1 2 0 . 9 5 7 0 4 . 7 S P 2 2 0 F / 1 2 m 1 0 8 0 . 6 4 7 4 7 0 0 4 0 . 2

T h e T P S 5 4 2 3 1 i m p l e m e n t s c u r r e n t m o d e c o n t r o l t h a t u s e s t h e C O M P p i n v o l t a g e t o t u r n o f f t h e h i g h - s i d e M O S F E T o n a c y c l e b y c y c l e b a s i s . E v e r y c y c l e t h e s w i t c h c u r r e n t a n d t h e C O M P p i n v o l t a g e a r e c o m p a r e d ; w h e n t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t i n t e r s e c t s t h e C O M P p i n v o l t a g e , t h e h i g h - s i d e s w i t c h i s t u r n e d o f f . D u r i n g o v e r c u r r e n t c o n d i t i o n s t h a t p u l l t h e o u t p u t v o l t a g e l o w , t h e e r r o r a m p l i f i e r r e s p o n d s b y d r i v i n g t h e C O M P p i n h i g h , c a u s i n g t h e s w i t c h c u r r e n t t o i n c r e a s e . T h e C O M P p i n h a s a m a x i m u m c l a m p i n t e r n a l l y , w h i c h l i m i t t h e o u t p u t c u r r e n t .

T h e T P S 5 4 2 3 1 p r o v i d e s r o b u s t p r o t e c t i o n d u r i n g s h o r t c i r c u i t s . T h e r e i s p o t e n t i a l f o r o v e r c u r r e n t r u n a w a y i n t h e o u t p u t i n d u c t o r d u r i n g a s h o r t c i r c u i t a t t h e o u t p u t . T h e T P S 5 4 2 3 1 s o l v e s t h i s i s s u e b y i n c r e a s i n g t h e o f f t i m e d u r i n g s h o r t c i r c u i t c o n d i t i o n s b y l o w e r i n g t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y . T h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y i s d i v i d e d b y 8 , 4 , 2 ,

a n d 1 a s t h e v o l t a g e r a m p s f r o m 0 V t o 0 . 8 V o n V S E N S E p i n . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y a n d t h e V S E N S E p i n v o l t a g e i s s h o w n i n T a b l e 2 .

T a b l e 2 . S w i t c h i n g F r e q u e n c y C o n d i t i o n s

S W I T C H I N G F R E Q U E N C Y V S E N S E P I N V O L T A G E

5 7 0 k H z V S E N S E 0 . 6 V

5 7 0 k H z / 2 0 . 6 V > V S E N S E 0 . 4 V

5 7 0 k H z / 4 0 . 4 V > V S E N S E 0 . 2 V

5 7 0 k H z / 8 0 . 2 V > V S E N S E

T h e T P S 5 4 2 3 1 i n c o r p o r a t e s a n o v e r v o l t a g e t r a n s i e n t p r o t e c t i o n ( O V T P ) c i r c u i t t o m i n i m i z e o u t p u t v o l t a g e

o v e r s h o o t w h e n r e c o v e r i n g f r o m o u t p u t f a u l t c o n d i t i o n s o r s t r o n g u n l o a d t r a n s i e n t s . T h e O V T P c i r c u i t i n c l u d e s a n o v e r v o l t a g e c o m p a r a t o r t o c o m p a r e t h e V S E N S E p i n v o l t a g e a n d i n t e r n a l t h r e s h o l d s . W h e n t h e V S E N S E p i n vo l t a g e g o e s a b o v e 1 0 9 % V r e f , t h e h i g h - s i d e M O S F E T w i l l b e f o r c e d o f f . W h e n t h e V S E N S E p i n v o l t a g e f a l l s b e l o w 1 0 7 % V r e f , t h e h i g h - s i d e M O S F E T w i l l b e e n a b l e d a g a i n .

T h e d e v i c e i m p l e m e n t s a n i n t e r n a l t h e r m a l s h u t d o w n t o p r o t e c t i t s e l f i f t h e j u n c t i o n t e m p e r a t u r e e x c e e d s 1 7 5 C . T h e t h e r m a l s h u t d o w n f o r c e s t h e d e v i c e t o s t o p s w i t c h i n g w h e n t h e j u n c t i o n t e m p e r a t u r e e x c e e d s t h e t h e r m a lt r i p t h r e s h o l d . O n c e t h e d i e t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s b e l o w 1 7 5 C , t h e d e v i c e r e i n i t i a t e s t h e p o w e r u p s e q u e n c e .


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10/23

A P P L I C A T I O N I N F O R M A T I O N

C1

4.7 Fm

C2

4.7 Fm

C3

0.01 Fm

R1

332kW

R2

68.1kW

C5

0.015 Fm

C4

0. 1 Fm

C747pF

R3

29.4kW

C61000pF

C8

47 Fm

C9

47 FmR5

10.2kW

R6

3.24kW

L1

10 Hm

S T E P B Y S T E P D E S I G N P R O C E D U R E

S W I T C H I N G F R E Q U E N C Y

T P S 5 4 2 3 1


F i g u r e 1 3 . T y p i c a l A p p l i c a t i o n S c h e m a t i c

T h e f o l l o w i n g d e s i g n p r o c e d u r e c a n b e u s e d t o s e l e c t c o m p o n e n t v a l u e s f o r t h e T P S 5 4 2 3 1 . A l t e r n a t e l y , t h e S w i t c h e r P r o S o f t w a r e m a y b e u s e d t o g e n e r a t e a c o m p l e t e d e s i g n . T h e S w i t c h e r P r o S o f t w a r e u s e s a n i t e r a t i v e d e s i g n p r o c e d u r e a n d a c c e s s e s a c o m p r e h e n s i v e d a t a b a s e o f c o m p o n e n t s w h e n g e n e r a t i n g a d e s i g n . T h i s s e c t i o n p r e s e n t s a s i m p l i f i e d d i s c u s s i o n o f t h e d e s i g n p r o c e s s .

T o b e g i n t h e d e s i g n p r o c e s s a f e w p a r a m e t e r s m u s t b e d e c i d e d u p o n . T h e d e s i g n e r n e e d s t o k n o w t h e f o l l o w i n g :

I n p u t v o l t a g e r a n g e

O u t p u t v o l t a g e

I n p u t r i p p l e v o l t a g e

O u t p u t r i p p l e v o l t a g e

O u t p u t c u r r e n t r a t i n g

O p e r a t i n g f r e q u e n c y

F o r t h i s d e s i g n e x a m p l e , u s e t h e f o l l o w i n g a s t h e i n p u t p a r a m e t e r s

T a b l e 3 . D e s i g n P a r a m e t e r s

D E S I G N P A R A M E T E R E X A M P L E V A L U E

I n p u t v o l t a g e r a n g e 7 V t o 2 8 V

O u t p u t v o l t a g e 3 . 3 V

I n p u t r i p p l e v o l t a g e 3 0 0 m V

O u t p u t r i p p l e v o l t a g e 3 0 m V

O u t p u t c u r r e n t r a t i n g 2 A

O p e r a t i n g F r e q u e n c y 5 7 0 k H z

T h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y f o r t h e T P S 5 4 2 3 1 i s f i x e d a t 5 7 0 k H z .

1 0 S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d

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11/23

O U T P U T V O L T A G E S E T P O I N T

REF

OUT REF

R5 VR6 =

V V

-

( 4 )

OUT REF

R5V = V +1

R6

( 5 )

I N P U T C A P A C I T O R S

( )OUT(MAX)IN OUT(MAX) MAXBULK SW

I 0.25V = + I ESR

C f

D

( 6 )

2

OUT(MAX)CIN

II =

( 7 )

O U T P U T F I L T E R C O M P O N E N T S

I n d u c t o r S e l e c t i o n

T P S 5 4 2 3 1


T h e o u t p u t v o l t a g e o f t h e T P S 5 4 2 3 1 i s e x t e r n a l l y a d j u s t a b l e u s i n g a r e s i s t o r d i v i d e r n e t w o r k . I n t h e a p p l i c a t i o n c i r c u i t o f F i g u r e 1 3 , t h i s d i v i d e r n e t w o r k i s c o m p r i s e d o f R 5 a n d R 6 . T h e r e l a t i o n s h i p o f t h e o u t p u t v o l t a g e t o t h e r e s i s t o r d i v i d e r i s g i v e n b y E q u a t i o n 4 a n d E q u a t i o n 5 :

C h o o s e R 5 t o b e a p p r o x i m a t e l y 1 0 . 0 k . S l i g h t l y i n c r e a s i n g o r d e c r e a s i n g R 5 c a n r e s u l t i n c l o s e r o u t p u t v o l t a g e m a t c h i n g w h e n u s i n g s t a n d a r d v a l u e r e s i s t o r s . I n t h i s d e s i g n , R 4 = 1 0 . 2 k a n d R = 3 . 2 4 k , r e s u l t i n g i n a 3 . 3 1 V o u t p u t v o l t a g e . T h e z e r o o h m r e s i s t o r R 4 i s p r o v i d e d a s a c o n v e n i e n t p l a c e t o b r e a k t h e c o n t r o l l o o p f o r s t a b i l i t y t e s t i n g .

T h e T P S 5 4 2 3 1 r e q u i r e s a n i n p u t d e c o u p l i n g c a p a c i t o r a n d d e p e n d i n g o n t h e a p p l i c a t i o n , a b u l k i n p u t c a p a c i t o r . T h e t y p i c a l r e c o m m e n d e d v a l u e f o r t h e d e c o u p l i n g c a p a c i t o r i s 1 0 F . A h i g h - q u a l i t y c e r a m i c t y p e X 5 R o r X 7 R i s r e c o m m e n d e d . T h e v o l t a g e r a t i n g s h o u l d b e g r e a t e r t h a n t h e m a x i m u m i n p u t v o l t a g e . A s m a l l e r v a l u e m a y b e

u s e d a s l o n g a s a l l o t h e r r e q u i r e m e n t s a r e m e t ; h o w e v e r 1 0 F h a s b e e n s h o w n t o w o r k w e l l i n a w i d e v a r i e t y o f c i r c u i t s . A d d i t i o n a l l y , s o m e b u l k c a p a c i t a n c e m a y b e n e e d e d , e s p e c i a l l y i f t h e T P S 5 4 2 3 1 c i r c u i t i s n o t l o c a t e d w i t h i n a b o u t 2 i n c h e s f r o m t h e i n p u t v o l t a g e s o u r c e . T h e v a l u e f o r t h i s c a p a c i t o r i s n o t c r i t i c a l b u t s h o u l d b e r a t e d t o h a n d l e t h e m a x i m u m i n p u t v o l t a g e i n c l u d i n g r i p p l e v o l t a g e , a n d s h o u l d f i l t e r t h e o u t p u t s o t h a t i n p u t r i p p l e v o l t a g e i s a c c e p t a b l e . F o r t h i s d e s i g n t w o 4 . 7 F c a p a c i t o r s a r e u s e d f o r t h e i n p u t d e c o u p l i n g c a p a c i t o r . T h e y a r e X 7 R d i e l e c t r i c r a t e d f o r 5 0 V . T h e e q u i v a l e n t s e r i e s r e s i s t a n c e ( E S R ) i s a p p r o x i m a t e l y 2 m , a n d t h e c u r r e n t r a t i n g i s 3 A . A d d i t i o n a l l y , a s m a l l 0 . 0 1 F c a p a c i t o r i s i n c l u d e d f o r h i g h f r e q u e n c y f i l t e r i n g .

T h i s i n p u t r i p p l e v o l t a g e c a n b e a p p r o x i m a t e d b y E q u a t i o n 6

W h e r e I O U T ( M A X ) i s t h e m a x i m u m l o a d c u r r e n t , f S W i s t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y , C B U L K i s t h e b u l k c a p a c i t o r v a l u e a n d E S R M A X i s t h e m a x i m u m s e r i e s r e s i s t a n c e o f t h e b u l k c a p a c i t o r .

T h e m a x i m u m R M S r i p p l e c u r r e n t a l s o n e e d s t o b e c h e c k e d . F o r w o r s t c a s e c o n d i t i o n s , t h i s c a n b e a p p r o x i m a t e d b y E q u a t i o n 7

I n t h i s c a s e , t h e i n p u t r i p p l e v o l t a g e w o u l d b e 1 1 3 m V a n d t h e R M S r i p p l e c u r r e n t w o u l d b e 1 A . I t i s a l s o i m p o r t a n t t o n o t e t h a t t h e a c t u a l i n p u t v o l t a g e r i p p l e w i l l b e g r e a t l y a f f e c t e d b y p a r a s i t i c s a s s o c i a t e d w i t h t h e l a y o u t a n d t h e o u t p u t i m p e d a n c e o f t h e v o l t a g e s o u r c e . T h e a c t u a l i n p u t v o l t a g e r i p p l e f o r t h i s c i r c u i t i s s h o w n i n D e s i g n P a r a m e t e r s a n d i s l a r g e r t h a n t h e c a l c u l a t e d v a l u e . T h i s m e a s u r e d v a l u e i s s t i l l b e l o w t h e s p e c i f i e d i n p u t l i m i t o f 3 0 0 m V . T h e m a x i m u m v o l t a g e a c r o s s t h e i n p u t c a p a c i t o r s w o u l d b e V I N m a x p l u s V I N / 2 . T h e c h o s e n b u l k a n d b y p a s s c a p a c i t o r s a r e e a c h r a t e d f o r 5 0 V a n d t h e r i p p l e c u r r e n t c a p a c i t y i s g r e a t e r t h a n 3 A , b o t h p r o v i d i n g a m p l e m a r g i n . I t i s v e r y i m p o r t a n t t h a t t h e m a x i m u m r a t i n g s f o r v o l t a g e a n d c u r r e n t a r e n o t e x c e e d e d u n d e r a n y c i r c u m s t a n c e .

T w o c o m p o n e n t s n e e d t o b e s e l e c t e d f o r t h e o u t p u t f i l t e r , L 1 a n d C 2 . S i n c e t h e T P S 5 4 2 3 1 i s a n e x t e r n a l l y c o m p e n s a t e d d e v i c e , a w i d e r a n g e o f f i l t e r c o m p o n e n t t y p e s a n d v a l u e s c a n b e s u p p o r t e d .

T o c a l c u l a t e t h e m i n i m u m v a l u e o f t h e o u t p u t i n d u c t o r , u s e E q u a t i o n 8

C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k 1 1



12/23

( )OUT(MAX) IN(MAX) OUTMIN

IN(MAX) IND OUT SW

V V VL =

V K I F

-

( 8 )

( )2

OUT IN(MAX) OUT2L(RMS) OUT(MAX)

IN(MAX) OUT SW

V V V1I = I +

12 V L F 0.8

-

( 9 )

( )OUT IN(MAX) OUTL(PK) OUT(MAX)IN(MAX) OUT SW

V V VI = I +1.6 V L F

-

( 1 0 )

C a p a c i t o r S e l e c t i o n

)2/(1 max_min_ COOO FRC = p( 1 1 )

+

-=

ESR

OSW

LPPOPPR

CF

DIV

4

)5.0(

( 1 2 )

T P S 5 4 2 3 1


KI N D i s a c o e f f i c i e n t t h a t r e p r e s e n t s t h e a m o u n t o f i n d u c t o r r i p p l e c u r r e n t r e l a t i v e t o t h e m a x i m u m o u t p u t c u r r e n t . I n g e n e r a l , t h i s v a l u e i s a t t h e d i s c r e t i o n o f t h e d e s i g n e r ; h o w e v e r , t h e f o l l o w i n g g u i d e l i n e s m a y b e u s e d . F o r d e s i g n s u s i n g l o w E S R o u t p u t c a p a c i t o r s s u c h a s c e r a m i c s , a v a l u e a s h i g h a s K I N D = 0 . 3 m a y b e u s e d . W h e n

u s i n g h i g h e r E S R o u t p u t c a p a c i t o r s , K I N D = 0 . 2 y i e l d s b e t t e r r e s u l t s .

F o r t h i s d e s i g n e x a m p l e , u s e K I N D = 0 . 3 a n d t h e m i n i m u m i n d u c t o r v a l u e i s c a l c u l a t e d t o b e 8 . 5 H . F o r t h i s d e s i g n , a l a r g e v a l u e w a s c h o s e n : 1 0 H .

F o r t h e o u t p u t f i l t e r i n d u c t o r , i t i s i m p o r t a n t t h a t t h e R M S c u r r e n t a n d s a t u r a t i o n c u r r e n t r a t i n g s n o t b e e x c e e d e d . T h e R M S i n d u c t o r c u r r e n t c a n b e f o u n d f r o m E q u a t i o n 9

a n d t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t c a n b e d e t e r m i n e d w i t h E q u a t i o n 1 0

F o r t h i s d e s i g n , t h e R M S i n d u c t o r c u r r e n t i s 2 . 0 0 8 A a n d t h e p e a k i n d u c t o r c u r r e n t i s 2 . 3 2 A . T h e c h o s e n i n d u c t o r i s a C o i l c r a f t M S S 1 0 3 8 - 1 0 3 N L 1 0 H . I t h a s a s a t u r a t i o n c u r r e n t r a t i n g o f 3 . 0 4 A a n d a n R M S c u r r e n t r a t i n g o f 2 . 9 0 A , m e e t i n g t h e s e r e q u i r e m e n t s . S m a l l e r o r l a r g e r i n d u c t o r v a l u e s c a n b e u s e d d e p e n d i n g o n t h e a m o u n t o f r i p p l e c u r r e n t t h e d e s i g n e r w i s h e s t o a l l o w s o l o n g a s t h e o t h e r d e s i g n r e q u i r e m e n t s a r e m e t . L a r g e r v a l u e i n d u c t o r s w i l l h a v e l o w e r a c c u r r e n t a n d r e s u l t i n l o w e r o u t p u t v o l t a g e r i p p l e , w h i l e s m a l l e r i n d u c t o r v a l u e s w i l l i n c r e a s e a c c u r r e n t a n d o u t p u t v o l t a g e r i p p l e . I n g e n e r a l , i n d u c t o r v a l u e s f o r u s e w i t h t h e T P S 5 4 2 3 1 a r e i n t h e r a n g e o f 6 . 8 H t o 4 7 H .

T h e i m p o r t a n t d e s i g n f a c t o r s f o r t h e o u t p u t c a p a c i t o r a r e d c v o l t a g e r a t i n g , r i p p l e c u r r e n t r a t i n g , a n d e q u i v a l e n t

s e r i e s r e s i s t a n c e ( E S R ) . T h e d c v o l t a g e a n d r i p p l e c u r r e n t r a t i n g s c a n n o t b e e x c e e d e d . T h e E S R i s i m p o r t a n t b e c a u s e a l o n g w i t h t h e i n d u c t o r c u r r e n t i t d e t e r m i n e s t h e a m o u n t o f o u t p u t r i p p l e v o l t a g e . T h e a c t u a l v a l u e o f t h e o u t p u t c a p a c i t o r i s n o t c r i t i c a l , b u t s o m e p r a c t i c a l l i m i t s d o e x i s t . C o n s i d e r t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d e s i r e d c l o s e d l o o p c r o s s o v e r f r e q u e n c y o f t h e d e s i g n a n d L C c o r n e r f r e q u e n c y o f t h e o u t p u t f i l t e r . I n g e n e r a l , i t i s d e s i r a b l e t o k e e p t h e c l o s e d l o o p c r o s s o v e r f r e q u e n c y a t l e s s t h a n 1 / 5 o f t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y . W i t h h i g h s w i t c h i n g f r e q u e n c i e s s u c h a s t h e 5 7 0 - k H z f r e q u e n c y o f t h i s d e s i g n , i n t e r n a l c i r c u i t l i m i t a t i o n s o f t h e T P S 5 4 2 3 1 l i m i t t h e p r a c t i c a l m a x i m u m c r o s s o v e r f r e q u e n c y t o a b o u t 2 5 k H z . I n g e n e r a l , t h e c l o s e d l o o p c r o s s o v e r f r e q u e n c y s h o u l d b e h i g h e r t h a n t h e c o r n e r f r e q u e n c y d e t e r m i n e d b y t h e l o a d i m p e d a n c e a n d t h e o u t p u t c a p a c i t o r . T h i s l i m i t s t h e m i n i m u m c a p a c i t o r v a l u e f o r t h e o u t p u t f i l t e r t o :

W h e r e R O i s t h e o u t p u t l o a d i m p e d a n c e ( V O/ IO ) a n d f C O i s t h e d e s i r e d c r o s s o v e r f r e q u e n c y . F o r a d e s i r e d m a x i m u m c r o s s o v e r o f 2 5 k H z t h e m i n i m u m v a l u e f o r t h e o u t p u t c a p a c i t o r i s a r o u n d 3 . 6 F . T h i s m a y n o t s a t i s f y t h e o u t p u t r i p p l e v o l t a g e r e q u i r e m e n t . T h e o u t p u t r i p p l e v o l t a g e c a n b e e s t i m a t e d b y :

W h e r e N C i s t h e n u m b e r o f o u t p u t c a p a c i t o r s i n p a r a l l e l .

T h e m a x i m u m E S R o f t h e o u t p u t c a p a c i t o r i s d e t e r m i n e d b y t h e a m o u n t o f a l l o w a b l e o u t p u t r i p p l e a s s p e c i f i e d i n t h e i n i t i a l d e s i g n p a r a m e t e r s . T h e o u t p u t r i p p l e v o l t a g e i s t h e i n d u c t o r r i p p l e c u r r e n t t i m e s t h e E S R o f t h e o u t p u t f i l t e r , s o t h e m a x i m u m s p e c i f i e d E S R a s l i s t e d i n t h e c a p a c i t o r d a t a s h e e t i s g i v e n b y E q u a t i o n 1 3

1 2 S u b m i t D o c u m e n t a t i o n F e e d b a c k C o p y r i g h t 2 0 0 8 , T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d



13/23

OPP LPP ESRSW O

(D 0.5)V = I + R

4 F C

-

( 1 3 )

( )12

OUT IN(MAX) OUT

COUT(RMS)IN(MAX) OUT SW C

V V V1I =

V L F N

- ( 1 4 )

C O M P E N S A T I O N C O M P O N E N T S

ggm REFDC

O

V VG =

V

( 1 5 )

( )PO OO ZV = 1/ 2 R Cp ( 1 6 )

( )Z1 Z ZF = 1/ 2 R Cp ( 1 7 )

( )P1 Z PF = 1/ 2 R Cp ( 1 8 )

( )SENSE CO OGain = 20 log 2 R F C + 3- p ( 1 9 )

T P S 5 4 2 3 1


W h e r e V O P P M A X i s t h e d e s i r e d p e a k - t o - p e a k o u t p u t r i p p l e . T h e m a x i m u m R M S r i p p l e c u r r e n t i n t h e o u t p u t c a p a c i t o r i s g i v e n b y

F o r t h i s d e s i g n e x a m p l e , t w o 4 7 - F c e r a m i c o u t p u t c a p a c i t o r s a r e c h o s e n f o r C 8 a n d C 9 . T h e s e a r e T D K

C 3 2 1 6 X 5 R 0 J 4 7 6 M , r a t e d a t 6 . 3 V w i t h a m a x i m u m E S R o f 2 m a n d a r i p p l e c u r r e n t r a t i n g i n e x c e s s o f 3 A . T h e c a l c u l a t e d t o t a l R M S r i p p l e c u r r e n t i s 1 0 9 m A ( 5 4 . 5 m A e a c h ) a n d t h e m a x i m u m t o t a l E S R r e q u i r e d i s 5 6 m .T h e s e o u t p u t c a p a c i t o r s e x c e e d t h e r e q u i r e m e n t s b y a w i d e m a r g i n a n d w i l l r e s u l t i n a r e l i a b l e , h i g h - p e r f o r m a n c e d e s i g n . i t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t t h e a c t u a l c a p a c i t a n c e i n c i r c u i t m a y b e l e s s t h a n t h e c a t a l o g v a l u e w h e n t h e o u t p u t i s o p e r a t i n g a t t h e d e s i r e d o u t p u t o f 3 . 3 V T h e s e l e c t e d o u t p u t c a p a c i t o r m u s t b e r a t e d f o r a v o l t a g e g r e a t e r t h a n t h e d e s i r e d o u t p u t v o l t a g e p l u s 1 / 2 t h e r i p p l e v o l t a g e . A n y d e r a t i n g a m o u n t m u s t a l s o b e i n c l u d e d . O t h e r c a p a c i t o r t y p e s w o r k w e l l w i t h t h e T P S 5 4 2 3 1 , d e p e n d i n g o n t h e n e e d s o f t

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