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[资料分享] TPS61046在光通信中双输出的应用

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发表于 2019-12-1 10:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

      光通信应用经常需要从+3.3V的输入电源升压得到一组正负电压,比如+/-20V,常见的做法是用两颗芯片分别去产生+20V和-20V输出,这种方案体积会比较大,对面积敏感的应用无法满足要求。本文在TI升压芯片TPS61046的基础上,引入负压Charge pump电路,实现单芯片同时输出+/-20V,整个方案体积非常小,并就关键器件选型进行了分析,最后给出实测结果。

 

1. 引 言

光模块的外部供电电压一般是+3.3V,而光器件的驱动经常需要非常高的可调电压,但驱动电流非常小(mA级别),因此采用数模转换器加运算放大器来实现调压是可行的。本文将通过讲解TI的boost芯片TPS61046,结合charge pump方式来实现+/-20V的输出,以此作为运放的供电。

 

2. TPS61046简介

TPS61046是一款高度集成的boost转换器,内部集成30V的功率管和输入输出隔离开关,最高可以输出+28V。芯片体积只有0.8*1.2mm,工作开关频率达到1MHz,因此输出端可以使用非常小的电感电容,整体方案面积小,正好是适合光模块的应用。

Figure 1. TPS61046基本应用电路

3. 光器件驱动需求

光器件的可调驱动负载电流要求一般比较小,通常采用下图DAC加运放的结构,需要解决的问题是如何给运放提供小体积的正负高压电源。通过charge pump的方式来增加一路负压输出,可以节省整体方案的面积。

 

Figure 2. DAC和运放调压电路

4. 负压Charge Pump电路

如下图3所示,通过加入Charge pump部分电路,就可以实现一路正的boost升压输出和一路未经过调节的负压输出。当SW 断开时,SW点的电压为Vsw = +Vout+Vd,飞行电容会被充电到Vsw-Vd1;当SW导通时,SW点电压变为0,而电容C两侧电压不能突变,V1= -Vsw+Vd1,那么储能电容C2电压就会充到:V1+Vd2 = -Vout-Vd+Vd1+Vd2

假设Vd=Vd1=Vd2,并且不考虑在二极管,电阻和电容上的损耗,那么可以得到储能电容C2上的电压为-Vout+Vd。其中D2只有在SW 闭合时导通,所以在SW 断开时就需要通过输出电容C2来给外部负载提供电流。

Figure 3. 负压Charge pump电路

4.1 电感的选择

在这类型的升压电路中,电感的选择一般要考虑三个参数:电感值,饱和电流和DCR。电感的平均输入电流 可以通过公式1来计算,电感值可由公式2得到。

  公式1

 公式2

其中:

 :电感纹波电流

 :转换效率

从公式2可以看到,电感值越大,电感纹波电流越小,这样可以降低磁滞损耗和EMI干扰。TPS61046 datasheet 中建议 取值在 的40%以下,但在实际应用中可以做适当的调整。因为在低输出电流的应用中,这样取值会导致所需电感比较大,不符合小体积应用的要求。因此,这个建议可以作为电感选择的一个起始参考点,然后根据实际情况去做相应的调整。

4.2 输入输出电容的选择

输出电压纹波同输出电容容值大小以及ESR相关,在这类型的小电流应用中,通常选择陶瓷电容,在保证电容的最大耐压值满足要求后,就需要根据纹波的要求,计算出最小输出电容值。

 公式3

其中占空比     公式4

对于输入电容,TPS61046 datasheet中有明确的指导,大于1uF的陶瓷电容可以满足绝大部分的应用。

4.3二极管的选择

为了提高效率,通常选用前向压降小的肖特基二极管,允许的平均电流和峰值电流要大于平均输出电流和电感的峰值电流,同时反向击穿电压必须高于最大的输出电压值。

4.4 Charge pump回路上RC的选择

在最大输出电流时,一般允许飞行电容两侧的电压纹波在100mV到500mV之间,以保证charge pump回路有足够的动态响应能力。因此,仍然采用公式4进行计算,典型值一般选择在0.1uF到1uF之间。在飞行电容前面串入电阻是为了限制电容上的电流尖峰。但是这个电阻值一般不能选的太小,比如小于1Ω,它起不到电流限制的作用;同时又不能太大,比如大于100Ω,带来的损耗太高,影响电路的输出和效率。通常,10~20Ω是一个比较好的选择。下图是我们实测通过电容的电流波形。

        

Figure 4. 电流波形R=1Ω                                                      Figure 5. 电流R=100Ω

5. 实际应用测试结果

下文将以实际的例子来说明电路的设计,并将给出测试结果。

5.1 设计需求

参数

典型值

输入电压

+3.3V

输出1

+20V/20mA

输出2

-20V/20mA

输出电压纹波

+/-50mV

5.2 器件选择

因为输出有两路,参数估算时可以合计为一路,按+3.3V升压到20V,电流为40mA,考虑到charge pump效率,整个电路的效率估算为70%。下面将根据上述的需求来逐一说明各个参数的确定。

根据公式1,可以计算得到通过电感的平均电流:

首先电感纹波电流按平均电流的40%来计,由公式2可以得到电感值:

考虑到光模块对体积有非常高的要求,以及电感值的通用性,这里选择10uH。这也正好满足TPS61046 datasheet中对电感值选择的要求。

反过来,可以计算出电感的纹波电流:

 

那么通过电感的峰值电流

考虑设计体积和裕量,实际应用中选择的是Sumida的CDRH2D18,   。

对于输入电容,由于TPS61046本身没有要求,我们选择2.2uF+0.01uF陶瓷电容并联。

要计算最小的输出电容,首先计算占空比:

由于正负输出两路需要单独加储能电容,公式4中的 按20mA计算,那么每一路

考虑到电容降额和动态响应问题,并结合TPS61046对输出电容范围的要求,这里选择4.7uF和10nF          的陶瓷电容并联。

对于飞行电容,假设允许的ripple在200mV,根据上述方法计算出该电容最小值为84nF,考虑降额,选用220nF陶瓷电容,串入电阻选择10Ω。根据电流电压要求,二极管选用MBR0540T1G。

5.3 测试结果

根据上述的计算,最终电路设计如下:

Figure 6. 实测电路

图7是上电输出波形。

Figure 7. 上电输出波形

图8是phase和gain裕量的测试结果,可以看到phase裕量为65°。需要注意的是Charge pump的负压输出实际上是开环结构,波特图的测试只对正输出有意义。

Figure 8. 波特图

图9是+/-20V同时稳定输出20mA时的开关波形和电感电流波形。

Figure 9. 电感电流

图10是空载输出纹波测试结果,图11是加10mA负载输出纹波测试结果

 

Figure 10. 空载纹波                                                Figure 11. 带10mA负载纹波

在部分应用中,需要考虑方案的动态特性。图12,13,14和15是在不同场景下的动态测试结果。

  

 Figure 12. 50%~75%;2.5A/us;20V输出                      Figure 13. 50%~75%;0.1A/us;20V输出

Figure 14. 50%~75%;2.5A/us;-20V输出              Figure 15. 50%~75%;0.1A/us;-20V输出   

在测试中我们发现,如果仅在负压输出端加载,测得的纹波和动态性能会比较差,这是因为负压输出端是开环,而电路是根据正压输出端反馈来做调整。因此,实测中我们都会在正压输出端加载,这也符合运放作为负载时的负载特性。

从上述的测试结果看,该设计满足我们的要求。

6. 总结

通过以上分析和测试,可以看到TPS61046通过加一路charge pump的方式,能很好的实现从+3.3V同时得到+/-20V的输出。方案实现简单,体积小,非常适合光模块的应用。

7. 参考文献

[1]. TPS61046器件手册,http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61046.pdf

[2]. Design for a Discrete Charge Pump (SLVA398A)

作者: TI 工程师 Wanda Wang



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