基于控制器LM2727的高速同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

摘要：LM2727是一種低輸出電壓N溝道MOSFET高速同步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，它可以從2.2V~16V的輸入得到0.7A~20A、低至0.6V的輸出和95%的效率。文中介紹了LM2727的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其組成的降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LM2727   同步降壓   開關(guān)穩(wěn)壓器   設(shè)計(jì)

1、引言

LM2727是美國國家半導(dǎo)體（NS）公司為應(yīng)用于有線調(diào)制解調(diào)器、機(jī)頂盒/家庭網(wǎng)關(guān)、DDR內(nèi)核電源和高效率分布式電源而設(shè)計(jì)的一種N溝道功率MOSFET同步降壓高速開關(guān)型穩(wěn)壓器控制IC。LM2727輸入電壓范圍為2.2~16V，輸出電壓可調(diào)低到0.6V，負(fù)載電流從0.7A到20A，效率高達(dá)95%，開關(guān)頻率利用單個(gè)電阻在50kHz~2MHz范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，并且提供電流限制、輸出欠電壓和過電壓保護(hù)及電源好（Power Good, PG）標(biāo)志。

2、LM2727的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

LM2727芯片集成了振蕩器、PWM比較器、反饋誤差放大器、同步驅(qū)動(dòng)邏輯、MOSFET高/低端柵極驅(qū)動(dòng)器及電流限制、軟啟動(dòng)、輸入欠壓鎖定（UVLO）、輸出欠電壓與過電壓保護(hù)（UVP/OVP）及電源好標(biāo)志等電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

LM2727采用14引腳塑料TSSOP封裝，引腳排列如圖2所示。

LM2727各引腳功能見表1。

表1  LM2727引腳功能

LM2727的主要特點(diǎn)是：（1）輸出電壓可由電阻分壓器設(shè)置，最低可調(diào)至0.6V；（2）電流限制無需傳感電阻；（3）開關(guān)頻率、軟啟動(dòng)時(shí)間、電流限制電平等可編程；（4）提供輸出UVP/OVP鎖斷、電源好標(biāo)志和IC邏輯關(guān)閉，當(dāng)輸出電壓降至正常值70%以下或高于118%時(shí)，IC則鎖斷。

3、基于LM2727的DC-DC降壓穩(wěn)壓器原理與設(shè)計(jì)

由控制器LM2727的DC-DC開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器電路如圖3所示。該電源電路的技術(shù)要求是：

輸入電壓Vin=5V；

輸出電壓Vo=1.2V；

輸出電流Io=10A；

開關(guān)頻率fsw=300kHz；

效率η=85%。

根據(jù)這些性能要求，設(shè)計(jì)程序和方法如下所述。

3.1  輸入電容器選擇

輸入電容器Cin1,2用作抑制輸入電流紋波。輸入有效值電流紋波Irms-rip由輸出電流Io和開關(guān)占空比D確定，計(jì)算公式為

上式中：Io=10A；D=Vo/Vin=1.2V/5V=0.24，因此可得Irms-rip=4.27A。

Cin1,2可選用2個(gè)Sanyo的10MV5600AX（5600μF/10V）的鋁電解電容器并聯(lián)，這種電容器工作溫度為105℃，在100kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻ESR為18mΩ。Cin1,2也可選用MLCC、鉭電容、OSCON、SP及POSCAPS等電容器。

Cin1,2用作高頻旁路，濾除開關(guān)諧波和輸入噪聲，可采用2個(gè)1μF/10V的陶瓷電容相關(guān)聯(lián)。

Vcc腳上的電容Cin和電阻Rin用作平滑Vcc電壓和自舉電壓，Cin可選用2.2μF/25V的陶瓷電容，Rin采用10Ω的電阻，自舉電容Cboot為0.1μF。

3.2  輸入電感器Lin選擇

輸入電感器Lin用作抑制開關(guān)噪聲并限制輸入電流的轉(zhuǎn)換速率。其電感值由無載到滿載時(shí)Lin上的電壓變化ΔV與輸入電流最大變化率（di/dt）max確定，并可表示為

　Lin≥ΔV /（di/dt）max

ΔV可以視為滿載電流通過輸入電容器ESR引起的。由于輸入電容總RESR=18mΩ/2=9mΩ，故ΔV=IoRESR=10A×9mΩ=90mV。在臺(tái)式計(jì)算機(jī)等設(shè)備中，di/dt約為0.1A/μs，因此Lin≥90mV/（0.1A/μs）=0.9μH。輸入電感器應(yīng)能處理DC輸入電流，該電流值為

IIN-DC=IOD/η=（10A×0.24）/0.85=2.83A

輸入電感器可以選擇TDK SLF12575T-1R2N8R2，其電感值為1.2μH，可處理8.2A的DC電流，DC電阻為7mΩ，尺寸為7.29×7.29×3.51(mm)。

3.3輸出電感器L1選擇

輸出電感器L1用作平滑由開關(guān)作用產(chǎn)生的方波并控制輸出紋波電流ΔI。其電感值由輸入電壓Vin、輸出電壓Vo、開關(guān)頻率fsw、占空因數(shù)D和ΔIo共同確定，計(jì)算公式為

若峰-峰值輸出電流紋波為負(fù)載電流的40%，所需要的電感值則為1.5μH。輸出電感器必須能夠處理峰-峰值電流（即Io+ΔIo/2=10A+2A=12A）因此L1可選用Coilcraft的DO5022-152HC電感器，其電感值為1.5μH，額定電流為15A，DC電阻為4mΩ，尺寸為22.35×16.26×18（mm）。

3.4  輸出電容器選擇

輸出電容器C01~3用作控制輸出電壓紋波ΔVo并在負(fù)載快速變化期間施加負(fù)載電流。輸出紋波電壓ΔVo和紋波電流ΔIo決定允許最大ESR，即

RESR（max）=ΔVo/ΔIo

為了保持2%的峰-峰值輸出電壓紋波和40%的峰-峰值電感電流紋波，最大ESR值為RESR（max）=1.2×0.2V/10A×0.4=6mΩ。CO1~3可選用Sanyo的10MV5600AX，用三個(gè)這樣的電容器相并聯(lián)，總電容為16.8mF，總RESR=18mΩ/3=6mΩ。

3.5  頻率設(shè)置電阻Rfadj選擇

LM2727的開關(guān)頻率由IC引腳FREQ上的外部接地電阻Rfadj設(shè)置。由于選擇fsw=300kHz，Rfadj值為

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3.7  控制環(huán)路補(bǔ)償元件選擇

連接在LM2727引腳EAO和FB之間的RC1、CC1和CC2組成控制環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用作改善誤差放大器DC增益和頻帶寬度BW。選擇RC1=229kΩ、CO1=4.7PF、CO2=270PF，可以獲得63°的相補(bǔ)角和29.3kHz的帶寬。

3.8  輸出電壓設(shè)置元件選擇

連接在IC反饋腳FB上的電阻分壓器Rfb1/Rfb2用作感測(cè)輸出電壓，也用來設(shè)置輸出電壓值。IC腳FB內(nèi)部門限為0.6V，因此可得：

　　
 
可以選擇Rfb1=Rfb2=10kΩ。

3.9  電流限制電阻RCS選擇

LM2727通過引腳ISEN感測(cè)Q2上的電壓來限制輸出電流。在低端開關(guān)Q2導(dǎo)通時(shí)，IC內(nèi)部一個(gè)50μA的電流通過RCS，RCS值為：

RCS=RDSON（Q2）×ILIM/50μA

上式中：RDSON（Q2）為低端開關(guān)導(dǎo)通電阻；ILIM為限制電流。若Q2的RDSON（Q2）為10mΩ，ILIM為15A（當(dāng)有足夠余地），RCS則為3KΩ，可以選用3.3KΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻。

3.10  軟啟動(dòng)電容CSS選擇

LM2727腳SS上的外部接地電容CSS，用作設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間tss，計(jì)算公式為

CSS=tss/2.5×105

像微處理器等需要的延時(shí)一般為3ms，因此Css可以選用12nF/25V的電容器，例如Vishay的V71206X123Kxx，尺寸為1206。

3.11  功率MOSFET與自舉二極管選擇

在計(jì)算電流限制電阻時(shí)，電流限制值設(shè)定在15A，MOSFET的導(dǎo)通電阻不大于10mΩ，據(jù)此Q1和Q2可選用Vishay公司的Si442DY型功率MOSFET。

連接在Vin與IC腳BOOT之間的自舉二極管D1，可選用30V的BAT-54型肖特基二極管。

3.12  效率的計(jì)算

DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的效率取決于系統(tǒng)總功率損耗，MOSFET功率損耗在總功率損耗中居支配地位。

（1）MOSFET的功率損耗

MOSFET的功率損耗包括導(dǎo)通損耗、柵極充電損耗和開關(guān)損耗。

MOSFET的導(dǎo)通損耗PCnd為

PCnd=D(Io2RDSONK)+(1-D)( Io2RDSONK)

上式中：因數(shù)K=1.3；Si4442DY的RDSON=4.1mΩ；IO=10A；D=0.24。據(jù)此可得：RCnd=0.533W。

MOSFET的開關(guān)損耗Psw為

Psw=0.5VinIo(tr+tf)fsw

上式中：Si4442DY的上升時(shí)間tr=11ns，下降時(shí)間tf=47ns，Vin=5V，fsw=300kHz，因此可得Psw=0.435W。

MOSFET的柵極充電損耗RGC為

RGC=nVccQGSfsw

上式中：n為MOSFET數(shù)量，n=2；QGC為柵極電荷，Si4442DY的QGC=36nC。按上式計(jì)算的結(jié)果是PGC=0.108W。

MOSFET的總功率損耗PC(Q1,Q2)為

PC(Q1,Q2)=PCnd+PSW+PGC=0.533W+0.435W+0.108W=1.076W

（2）輸入電容器損耗

輸入電容器功率損耗RCin可根據(jù)下式計(jì)算：

　　
 
上式中，n為電容器個(gè)數(shù)，n=2；RESR=18mΩ；I2rms-rip=4.27A。計(jì)算結(jié)果為PCin=0.082W。[!--empirenews.page--]

（3）輸入電感器損耗

DC輸入電流IIN-DC為

IIN-DC=IOD/η=10A×0.24/0.85=2.82A

輸入電感器損耗PLin為

PLin=I2IN-DCRDC(Lin)=(2.82A)2×7mΩ=0.055W

（4）輸出電感器損耗

輸出電感器DC電阻RDC（L1）=4mΩ，其功率損耗RL1為

PL1=I2ORDC(L1)=(10A)2×4mΩ=0.4W

（5）LM2727芯片損耗

LM2727芯片電壓VCC=5V，工作電流IQ-VCC=2mA，功率損耗PIC為

PIC=IQ-vcc VCC=2mA×5V=0.01W

此外，輸出電容器形成降壓開關(guān)變換器功率級(jí)的另一半，在計(jì)算效率時(shí)可以不考慮其損耗。

系統(tǒng)總功率損耗Ptotal為

Ptotal=PC(Q1,Q2)+PCin+PLin+PIC=1.076W+0.082W+0.4W+0.01W=1.568W

穩(wěn)壓器輸出功率為PO=IOVO=10A1.2V=12W

系統(tǒng)效率η為

η=Po/(Po+Ptotal)=12W/(12W+1.568W)=88.4%

4、降壓開關(guān)穩(wěn)壓器電路舉例

一種3.3V輸入、0.8V/5A輸出的500kHz降壓穩(wěn)壓器電路如圖4所示。該電路的輸入DC總線電壓Vin為3.3V，LM2727的供電電壓VCC為5V，系統(tǒng)效率達(dá)87%，Q1、Q2選用Si4442DY，D1選用BAT-54。

圖5所示是一種單獨(dú)為LM2727內(nèi)部MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器供電的降壓穩(wěn)壓器電路。該電路消除了由D1和Cboot組成的自舉電路，+12V的電源電壓直接加至1C的BOOT端。這種穩(wěn)壓器的輸入電壓Vin為5V，輸出為1.8V/3A，開關(guān)頻率為600kHz。Q1/Q2采用Si4826DY型雙N溝道MOSFET。

圖6所示為應(yīng)用于不對(duì)稱數(shù)字用戶線（ADSL）的降壓穩(wěn)壓器電路。由于兩個(gè)LM2727的引腳SS是連在一起的，故兩個(gè)IC同時(shí)啟動(dòng)，軟啟動(dòng)時(shí)間為5ms，1.8V和3.3V的兩個(gè)輸出同步發(fā)生。如果在一個(gè)電路中發(fā)生UV或OV故障，兩個(gè)電路則同時(shí)鎖斷。電路的開關(guān)頻率為1.4MHz，輸出均為1A。Q1/Q2選用SO-8封裝的Si4826DY，D1選用BAT-54。

5、結(jié)束語

LM2727是一種電壓模式高速同步降壓穩(wěn)壓器PWM控制器。這種多項(xiàng)參數(shù)可編程并具有電源好標(biāo)志、輸出關(guān)閉（SD）、電流限制和UVP/OVP的控制器，適合于機(jī)頂盒、薄客戶機(jī)（thin clients）、DSL/線纜調(diào)制解調(diào)器等應(yīng)用。