使用TI TPS55288设计多口USB PD快充

我们的多口充电器通常使用开关电源固定电压输出架构，配合多路降压来实现单口的独立快充。这样的解决方案虽然可以实现每个接口都支持快充，但是每个接口的降压电路还是占据了很多充电器的体积。那么有没有什么办法能实现只用一路电路，来实现双口都可以独立快充呢？

TI推出了TPS55288升降压转换器，通过外置两个开关管，可以实现高性能小体积的同步升降压电压转换设计。通过升降压控制器搭配输出协议芯片，单独改变输出电压，可用于双口同时的，独立的快充，并简化充电器设计。

Buck-Boost 变换器 TPS55288电路的设计方法由TI 升降压产品线FAE经理李林珏为大家讲解。

TPS55288是TI最新推出的面对USB PD应用的升降压转换器，适用于电脑，显示器，扩展坞，充电头，无线充电板，车充，移动电源，智能音箱等多种应用。

TPS55288输入电压最高36V，支持0.8-22V输出。内置1%精度的参考电压，用于控制输出电压。集成I2C接口用于调节输出电压，支持20mV步长，支持PPS调压，输出限流也支持通过I2C调节，调节步长50mA。支持15A可调节电感平均限流。

开关频率可通过外部电阻从200KHz到2.2MHz设置，或与外部时钟同步。通过电容可调节抖频功能频率或禁用。芯片集成输出过压保护，短路保护，过热保护。采用3.5*4mm QFN封装。

下面是TI TPS55288电路的设计方法，首先是工作原理和控制方法，原理图设计及选择外围元件，PCB布板建议和改善热性能，EMI，调试方法。

这是四开关管升降压转换器的电路拓扑，在输入电压高于、低于、等于输出电压时，通过模式的转换，切换工作模式，实现输出电压稳定。TPS55288集成用于外置BUCK开关管的驱动器，集成BOOST的开关管和驱动器，以及相关Buck/Boost运行的所有电路。

在Buck模式下，Q4保持导通，Q3关断，电感L2端直接连接到输出，芯片通过控制Q1与Q2的开通和关断调节输出电压。电路进入稳态后，输出电压=输入电压*（Q1开通时间/开关周期），也就是输入电压*占空比=输出电压。

在BOOST模式下，Q1保持导通，Q2关断，电感L1端直接连接到输入。芯片通过控制Q3和Q4的开通和关断调节输出电压。电路进入稳态后，输出电压=输入电压*（开关周期/Q4开通时间），输入电流等于电感电流平均值。

在输入和输出电压接近时，TPS55288工作在Buck-BOOST模式下，也就是在Buck和BOOST模式下交替工作。输出电压=输入电压*（Q1开通时间/Q4开通时间）=输入电压*（Q1开通时间/Q4最大开通时间）=输入电压*（Q1最大开通时间/Q4开通时间）。另一种控制方法是Q1和Q3同时开通关断，Q2和Q4同时开通关断，输出电压=输入电压*（开通时间/（开关周期-开通时间））。

下面是MOS开通关断时间的控制方法。左边是简化的电路控制框图，由功率级，电压外环控制电路，平均电流内环控制电路，时钟周期以及开通关断周期的控制电路和MOS管的驱动电路。

电压外环采样的输出电压与集成的参考电压做比较，误差信号经过电容电阻构成的比例积分网络，产生Vc信号。当输出电压低于设定值时，Vc信号升高。反之降低。Vc信号同时是内部电流环的控制目标。电感电流的平均电流采样值与Vc信号之间的误差同样经过比例积分网络产生Cc信号。

Cc信号与锯齿波信号进行比较，经过比较器后，输出开通时间信号。右图是开通时间产生机理。锯齿波分成两个部分，有用于Buck的RAMP和BOOST RAMP，如果Cc属于Buck RAMP区域，产生的开通时间用于驱动Buck的上管，BOOST 上管Q4保持开通状态。

如果Cc属于BOOST RAMP区域，产生的驱动信号将用于BOOST上管Q4，Buck上管保持开通状态。

在输入电压接近输出电压的条件下，Cc信号接近上下两个锯齿波的交叠点，芯片进入Buck-BOOST模式。因为最大开通时间的限制，输出电压无法被稳定控制。当输出电压大于输入电压，Cc信号将处于BOOST RAMP区域，两个信号的相交点，控制BOOST上管Q4的开通时间。

但是这个控制信号间隔一个开关周期输出，中间插入了Buck上管的最小关断时间。如果输入电压大于输出电压，Buck上管的开通时间由Cc信号与Buck RAMP决定，并间隔一个开关周期输出，中间插入了BOOST上管Q4的最小关断时间。

从规格书中截取的Buck-BOOST模式的工作波形。Buck上管属于最小关断时间状态，BOOST开通时间是被调节的，并且芯片在Buck和BOOST之间交替工作。

TPS55288可使用TI官网的下载计算表格进行初步的外围元件参数计算。

绿色区域是用户输入数据，橙色区域是计算结果，参数均有详细的解释，配合原理图使用方便。

下面以15V输入，输出5到20V，输出电流3A，芯片温升小于40℃的设计目标为例，考虑成本和面积以及体积，来说明外围器件的计算和选型要点，这个设计的目标也很符合我们在PD充电器的输出应用。

开关频率的选择需要平衡效率，热性能和方案面积，频率越高，电路面积小，但是开关损耗大，芯片温升高。频率低变化相反。温升约为35℃/W，使用4层PCB并且具有专用的散热层。

在20V满载时，输出纹波最大，假设纹波为200mV，计算出输出电容有效值不小于8μF。一般的负载跳变将导致更大的动态纹波，对电容值有更高的要求。实际应用中，需要在实际电路中测试。

电感电流纹波为40%的最大电流平均值，选择一个4.7μH的电感，电感直流电阻的选择需要平衡体积、效率和电感温升。可选择不超过20mΩ DCR的电感。电感除了DCR损耗，还有高频损耗，以及磁芯损耗，可以使用电感供应商提供的仿真工具计算。

对于降压的开关器件，可以使用30V 3*3mm的MOS管，对于MOS管，Qg和Rds的乘积将会决定性能，乘积越小，性能也越好，但价格更高。可使用Qg在6-10nC，Rds 15mΩ的MOS管，平衡成本和效率，驱动电阻可减小导线寄生电感引起的震荡。

吸收开关纹波一般采用MLCC，MLCC具有高频特性好的优点，1MHz以下，电容保持容性，阻抗随着频率的升高而降低。陶瓷电容的工作温度范围宽，且特性稳定。陶瓷电容的有效电容值与偏置电压相关。电容上面的纹波会导致电容振动，发出噪音。

在大容值，较高电压的应用场景，通常使用铝电解电容，钽电容，聚合物电容。具有容值大，不受偏置电压影响，不发出音频噪声，成本也具有优势。劣势在于ESR更大，且电流有效值较小，高频特性及温度特性较差。

铝电解电容和聚合物电容对动态响应有帮助，铝电解电容对开关频率纹波无效，聚合物电容对开关纹波有效。可使用MLCC来处理开关纹波，用其他材料的电容处理动态纹波。

电容的ESR都在低温下有上升，铝电解的变化明显，MLCC变化不明显。电容的ESR在低温下会导致电路不稳定。

补偿网络设计，接入COMP引脚的电阻电容。穿越频率越高动态响应越好，稳定裕量随之减小。

在Buck模式下，输出电流等于电感电流，增加占空比，电感电流增加，输出电流也增加。在BOOST模式下，输出电流与电感电流和占空比相关。占空比增加过快，输出电流反而降低。这就是右边平面零点的原因。

Cc提供相对稳定的Vc，控制电感的平均电流，电容值越小，Vc就可以更快的进入稳态。电感Rc用于调节环路的响应速度，当FB和Vref之间有误差的时候，同步改变Vc的值，提高环路的响应速度。

这里介绍前馈电容，Cff增加了一个零点和极点。前馈电容为高频信号提供路径，补偿寄生电容导致的信号滞后。

这两张图比较了利用前馈电容加入了100KHz顶点后的效果。没有前馈电容的时候，增益裕量13dB，相位裕量66度。加入了前馈电容以后，增益裕量14.6dB，相位裕量72度。

可通过动态特性来评估系统的稳定性。输出电压通过多次震荡才能恢复稳定，说明相位裕量不足。相位裕量足够时，动态裕量也是足够的。

PCB的布板非常重要，不良的PCB布板可能导致IC因为过压损坏，工作不正常，量产中或在客户端发现不良，可能引起EMI和发热问题。

PCB布板要首先放置功率级，要尽量减小高di/dt环路，在兼顾效率和热性能条件下，减小电感两端SW1和SW2的面积。放置驱动电路和VCC电路，布置模拟控制电路和铺地。

TPS55288具有两个高di/dt环路，一个是降压开关管与输入电容，一个是器件输出引脚及输出电容。高di/dt流过电感会导致电压尖峰，可能损坏器件。电感还可以向空间辐射能量，导致EMI问题。需要尽量减小路径长度。

Buck功率回路的布板实例，将两个管子垂直放置，输入电容尽量靠近MOS管，最小化环路路径。在MOS管上部放电容，通过地平面与MOS管连接，可以减小路径寄生电感。

BOOST输出需要0603或者0402的电容尽量的贴近IC。在器件背面放置0402电容，可进一步减小路径上的寄生电感。

电流采样走线需要平行走线连接到采样电阻的两端。

Vcc电容需要给器件内部控制电路和驱动电路供电，要减小Vcc回路的阻抗。Vcc电容要尽量靠近芯片并保证足够的走线宽度。

MOS管的驱动电阻靠近MOS G极放置，下管直接走IC与MOS之间的最短路径。

可将信号地集中后通过过孔连接到地平面，铺地帮助散热和提升EMI。应尽量减小表面层与中间层的距离。

与PCB密切相关的就是芯片的热性能。降低芯片的温升有两个方法，可以减小芯片上的功率损耗，或减小IC的热阻。

在评估板上测试的温升情况，低成本电感的损耗大，影响了IC的温升。

EMI也是和PCB设计相关的问题，使用四层PCB，在功率器件下面布设完整的地平面可以隔离噪声。使用器件的抖频功能，加入吸收电路，使用输入和输出滤波器，可以在SW1，SW2加入屏蔽罩。

发现问题首先在其他的PCB上重复问题，问题可以重复，需要测试输入和输出电压波形。需要隔离电路与系统，使用单独的电源测试。

以上是TPS55288的工作原理和控制方法，外围器件选型和计算，PCB布板要点，热性能，EMI改善，电路调试的方法。

除了TPS55288以外，TI还推出了TPS61288、18V输出，15A输入的全集成同步升压转换器。TPS63810，2.5A全集成低压升降压变换器，集成I2C功能调节输出电压。TPS61391是一颗85V输出芯片，并集成电流镜功能。

TI TPS55288 PPT下载链接：www.ti.com/cn/lit/pdf/SSZP388

峰会预告

7月30日，，届时将有多家氮化镓、碳化硅快充芯片原厂及快充产业链配套企业出席，共同探讨第三代半导体快充发展新趋势。

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