small_hw/TPS5430DDAR_3V3_0A5_Converter

Auslegung einer 3.3V Spannungsversorgung mit dem TPS5430DDAR

Dieses Dokument beschreibt die Auslegung einer 3.3V-Spannungsversorgung für einen STM32G431-Mikrocontroller samt Peripherie (FLASH, CAN, RS485). Die Eingangsspannung beträgt nominal 12V (Bereich 10.5V - 14V).

1. Abschätzung des Strombedarfs (Worst-Case)

Um den Schaltregler und die externen Bauteile korrekt zu dimensionieren, wird zuerst der maximale Strombedarf der Lasten abgeschätzt.

• STM32G431: Abhängig von Taktfrequenz und aktiven Peripherien. Konservative Annahme: 150 mA
• FLASH-Speicher (z.B. W25Qxx): Kurzzeitige Spitzen beim Schreiben/Löschen. Budget: 50 mA
• CAN-Transceiver (z.B. TJA1050): Maximaler Verbrauch im dominanten Zustand. Budget: 80 mA
• RS485-Transceiver (z.B. SN65HVD7x): Maximaler Verbrauch beim Senden. Budget: 70 mA

Gesamtstrom (typisches Maximum): 150 mA + 50 mA + 80 mA + 70 mA = 350 mA

Für einen stabilen Betrieb mit genügend Reserven für Stromspitzen wird der Regler auf einen Nennstrom von 500 mA (0.5 A) ausgelegt.

2. Auslegung der Bauteile (gemäss Datenblatt)

Die Berechnungen basieren auf den Daten des TPS5430-Datenblatts.

• Eingangsspannung (V_{in}): 10.5V bis 14V
• Ausgangsspannung (V_{out}): 3.3V
• Maximaler Ausgangsstrom (I_{out}): 0.5 A
• Schaltfrequenz (f_{sw}): 500 kHz (fest)
• Referenzspannung (V_{ref}): 1.221 V (typisch)

a) Spannungsteiler für die Ausgangsspannung (Feedback)

Die Ausgangsspannung wird über einen Spannungsteiler am FB-Pin eingestellt. Die Formel lautet: V_{out} = V_{ref} \times (1 + \frac{R1}{R2})

Es wird R2 = 10.0 kΩ (1%) gewählt. Die Berechnung für R1 ergibt: R1 = R2 \times (\frac{V_{out}}{V_{ref}} - 1) R1 = 10.0 \text{ kΩ} \times (\frac{3.3\text{V}}{1.221\text{V}} - 1) = 17.027 \text{ kΩ}

Gewählter Standardwert: R1 = 17.0 kΩ (E96-Reihe, 1%).

b) Induktivität (Speicherdrossel L)

Die Induktivität wird für eine Stromwelligkeit (ΔI_L) von 30% des maximalen Ausgangsstroms ausgelegt (ΔI_L = 0.15 A).

L = \frac{V_{out} \times (V_{in(max)} - V_{out})}{V_{in(max)} \times f_{sw} \times ΔI_L} L = \frac{3.3\text{V} \times (14\text{V} - 3.3\text{V})}{14\text{V} \times 500\text{kHz} \times 0.15\text{A}} \approx 33.6 \text{ µH}

Gewählter Standardwert: L = 33 µH. Wichtig: Der Sättigungsstrom (I_{sat}) der Drossel muss > 4A sein und der Gleichstromwiderstand (DCR) möglichst gering.

c) Ausgangskondensator (C_{out})

Für eine gute Stabilität und geringe Welligkeit werden Keramikkondensatoren empfohlen. Gewählte Bauteile: 2 x 22 µF Keramikkondensatoren (Typ X7R/X5R, min. 10V).

d) Eingangskondensator (C_{in})

Dieser Kondensator stützt die Eingangsspannung bei Strompulsen und muss sehr nah am VIN-Pin platziert werden. Gewähltes Bauteil: 1 x 10 µF Keramikkondensator (Typ X7R/X5R, min. 25V).

e) Weitere Bauteile

• Bootstrap-Kondensator (C_{boot}): Zwischen BOOT und PH. Standardwert: 100 nF (0.1 µF).
• Enable-Pin (ENA): Für einen automatischen Start wird ENA direkt mit VIN verbunden.

3. Zusammenfassung: Stückliste (BOM)

Bauteil (Ref)	Wert	Gehäuse / Typ	Wichtige Hinweise
IC1	TPS5430DDAR	SO-PowerPAD-8	Kühlfläche (PowerPAD) muss mit einer grossen GND-Fläche verlötet werden!
L1	33 µH	SMD-Leistungsinduktivität	I_{sat} > 4\text{A}, niedriger DCR
C1, C2	22 µF	1206 / 0805, Keramik X7R	Ausgangskapazität, min. 10V. Nah an L1 platzieren.
C3	10 µF	1206, Keramik X7R	Eingangskapazität, min. 25V. So nah wie möglich an Pin VIN.
C4	100 nF	0603, Keramik X7R	Bootstrap-Kondensator, min. 16V. Zwischen BOOT und PH.
R1	17.0 kΩ (1%)	0603 / 0805	Feedback-Widerstand.
R2	10.0 kΩ (1%)	0603 / 0805	Feedback-Widerstand. Nah am FB-Pin platzieren.

4. Wichtige Hinweise zum Layout

Ein gutes Layout ist für die Funktion eines Schaltreglers entscheidend!

1. Der heisse Loop: Der Strompfad C3(+) -> IC1(VIN) -> IC1(PH) -> L1 -> C1/C2(+) -> GND(C1/C2) -> GND(C3) muss so kurz und breit wie möglich sein, um die parasitäre Induktivität und EMI-Abstrahlung zu minimieren.
2. Platzierung: C3 direkt am VIN-Pin. L1, C1 und C2 direkt am PH-Pin.
3. Feedback-Teiler: R1 und R2 so nah wie möglich am FB-Pin des ICs platzieren. Die Leiterbahn vom Mittenabgriff zum FB-Pin kurz halten und von Leistungspfaden fernhalten.
4. Masseführung (GND): Eine durchgehende Massefläche verwenden. Das PowerPAD des ICs muss über mehrere Vias grossflächig mit dieser Massefläche verbunden werden, um die Wärme effizient abzuführen.