基于EL7558BC的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
關(guān)鍵詞:DC/DC變換器;EL7558BC;開關(guān)整流器
引言
EL7558BCDC/DC變換器芯片是Elantec公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成了MOSFETs的低輸入電壓(4.5~5.5V),高輸出電流(8A)的PWM整流器,效率可達(dá)94%。輸出電壓偏差小于1.5%。最高開關(guān)頻率可達(dá)1MHz,可以設(shè)置成固定電壓輸出(3.5V)或者可調(diào)電壓輸出(1.0~3.8V)。EL7558BC具有盡可能減少外圍元器件的高度集成特點(diǎn),只需少量外圍元器件即可工作,從而大大降低了電路板面積和設(shè)計(jì)成本,為電源設(shè)計(jì)提供了一種快速而簡(jiǎn)易的解決方案。EL7558BC同時(shí)具有過熱指示及過熱截止負(fù)載保護(hù)功能,用于邏輯/處理器復(fù)位及控制供電順序的電壓反饋PWRGD輸出信號(hào)等。其封裝形式為具有良好散熱性能的28腳HSOP封裝。這些優(yōu)點(diǎn)使得EL7558BC電源芯片可以廣泛應(yīng)用于高性能的DSPs/FPGAs/ASICs/微處理器,PC主板,便攜式電子儀器,手提電腦等許多電子設(shè)備中。
1 管腳功能和使用特點(diǎn)
EL7558BC封裝形式如圖1所示,各管腳功能如下:
腳1(FB1)電壓反饋輸入端1,當(dāng)芯片設(shè)置為可調(diào)電壓輸出時(shí)(VCC2DET為低)有效;
腳2(CREF)參考電壓旁路電容輸入端,一般用0.1μF瓷片電容與地連接;
腳3(CSLOPE)斜坡補(bǔ)償電容輸入端;
腳4(COSC)內(nèi)部振蕩器電容輸入端,電容CSLOPE與COSC比例通常為1:1.5;
腳5(VDD)PWM控制電路電源電壓輸入端,通常與VIN電壓相同;
腳6及腳8(VIN)降壓整流器電源電壓輸入端;
腳7,腳9-12,腳18-19(VSSP)降壓整流器返回地,即電源地;
腳13(VCC2DET)接口邏輯輸入端,邏輯1時(shí)芯片為3.5V固定電壓輸出,邏輯0時(shí)芯片為1.0~3.8V可調(diào)電壓輸出;
腳14(OUTEN)開關(guān)整流器輸出使能端,邏輯1有效;
腳15(OT)芯片過熱指示輸出,通常為高,當(dāng)溫度超過135℃時(shí)拉低,溫度降至100℃以下時(shí)恢復(fù)變高;
腳16(PWRGD)Powergood輸出信號(hào),當(dāng)輸出電壓的誤差小于預(yù)設(shè)值的±10%時(shí)為高,否則為低;
腳17(TEST)測(cè)試腳,通常必須與VSSP連接;
腳20-23(LX)電壓輸出端,驅(qū)動(dòng)外部的電感;
腳24(VHI)內(nèi)部高端門驅(qū)動(dòng)端,通過一個(gè)0.1μF的旁路電容與LX相連;
腳25(VSS)控制電路返回地,即信號(hào)地;
腳26(C2V)連接倍壓電路輸出,作為內(nèi)部低端門驅(qū)動(dòng)端;
腳27(CP)電荷泵電容的負(fù)邊驅(qū)動(dòng)端;
腳28(FB2)電壓反饋輸入端2,當(dāng)芯片設(shè)置為固定電壓輸出時(shí)(VCC2DET為低)有效,此時(shí)輸出電壓為3.5V。
EL7558BCDC/DC變換器芯片具有軟啟動(dòng)功能,而且不需要外部電容器,當(dāng)芯片加電時(shí)就會(huì)完成軟啟動(dòng)。EL7558BC具有VCC2DET功能,為IntelP54和P55微處理器提供了直接的接口。EL7558BC具有內(nèi)置的電荷泵倍壓電路,用于開啟內(nèi)部MOSFET,C5(見圖1)即為電荷泵電容,D2及D3為電荷泵二極管。如果有12V電壓輸入,則D2及D3均可省略。
圖1 EL7558BC DC/DC變換器芯片的封裝形式及其典型電路
2 DC/DC變換器的設(shè)計(jì)
下面以EL7558BCDC/DC變換器芯片為例,對(duì)DC/DC變換器的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)說明。其典型設(shè)計(jì)電路如圖1所示。
2.1 選擇輸出電壓
EL7558BCDC/DC變換器芯片可以通過VCC2DET腳設(shè)置固定電壓(3.5V)輸出或者可調(diào)電壓(1.0~3.8V)輸出。當(dāng)VCC2DET為高時(shí)為固定電壓輸出;當(dāng)VCC2DET為低時(shí)為可調(diào)電壓輸出,此時(shí)要想得到不同的電壓輸出,可以通過反饋電阻R3及R4來調(diào)節(jié),可調(diào)輸出電壓范圍為1.0V至3.8V。R3及R4阻值與輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以近似地用式(1)表示,在這種模式下,VCC2DET管腳必須為低。
輸出電壓Vo=1+(R3/R4)×1V (1)
2.2 選擇開關(guān)頻率
開關(guān)頻率對(duì)EL7558BC芯片的轉(zhuǎn)換效率以及所需外接電感的大小都有很大的影響。頻率越低,效率越高,但是所需電感的值也越大??梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)連接COSC腳的電容C8來設(shè)置開關(guān)頻率,可調(diào)頻率最高可達(dá)1MHz,C8電容值與開關(guān)頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以近似地用式(2)表示。
開關(guān)頻率fsw=0.0001/Cs(Hz) (2)
式中:C8單位為法拉F。
通過調(diào)節(jié)電容C8來改變開關(guān)頻率時(shí),連接CSLOPE腳的斜坡補(bǔ)償電容C7也要做相應(yīng)的調(diào)整,電容C7與C8比例通常為1:1.5。
2.3 選擇輸入濾波元件
EL7558BC芯片的輸入端通常需要一個(gè)去耦電容和一個(gè)大容量輸入電容。去耦電容C12主要作用是降低芯片輸入端的高頻噪聲,一般采用1~10μF的瓷片電容,這個(gè)電容在布局時(shí)必須盡可能地靠近EL7558BC芯片以獲得最佳效果。大容量輸入電容C9的主要作用是降低輸入紋波電壓,在某些應(yīng)用中一個(gè)10μF的去耦電容已經(jīng)足夠?yàn)V波而無須大容量輸入電容。至于是否需要大容量輸入電容,首先取決于允許的最大輸入紋波電壓。通常要使EL7558BC正常工作,輸入紋波電壓不可超過300mV??捎檬剑?)計(jì)算只用10μF電容時(shí),可能出現(xiàn)的最大輸入紋波電壓,如果計(jì)算得到的值超過允許值,就要用大容量輸入電容。
ΔVIN=IOUT(MAX)0.25/(10μF)(3)
式中:ΔVIN為沒有大容量電容時(shí)的輸入紋波電壓
的最大峰峰值;
IOUT(MAX)為最大的直流負(fù)載電流。
大容量輸入電容的值越大越有利于降低紋波電壓,而其等效串聯(lián)電阻(ESR)越大卻會(huì)增加紋波電壓,所以,要選擇容量大且ESR低的電容。式(4)給出了大容量輸入電容與輸入紋波電壓的大致關(guān)
系。如果紋波電壓還是太大,可以采用多個(gè)電容并聯(lián)的方法。另外大容量輸入電容的額定電壓和電流也要合適。
ΔVIN′=(IOUT(MAX)0.25)/CBULKfSW+IOUT(MAX)ESRMAX(4)
式中:ΔVIN′為有大容量輸入電容時(shí)的輸入紋波電壓的最大峰峰值;
IOUT(MAX)為最大的直流負(fù)載電流;CBULK為所采用的大容量輸入電容即C9;
ESRMAX為大容量輸入電容的最大ESR。
2.4 選擇輸出濾波元件
輸出濾波元件的選擇是DC/DC變換器設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán),輸出濾波元件決定了電源的穩(wěn)定性。重點(diǎn)是要選擇兩個(gè)元件,一個(gè)是輸出電感L1,另一個(gè)是輸出電容C10。影響電源穩(wěn)定性的最關(guān)鍵參數(shù)是輸出電容的ESR,電容的數(shù)據(jù)手冊(cè)一般都會(huì)給出電容的最大ESR,而最小ESR通常為最大ESR的40%~60%。此外,在選擇電容的時(shí)候,電容ESR的溫漂也要適當(dāng)考慮。
輸出電感L1具有存儲(chǔ)能量和濾去紋波兩大功能,電感的選擇主要是由輸入、輸出電壓,以及開關(guān)頻率決定的。電感的額定電流必須大于最大輸出電流(8A),電感值的選取可以由式(5)計(jì)算得到。
LOUT=(VIN(MAX)-VOUT)(1/ΔIL)(VOUT/VIN(MAX)(1/fsW) (5)
式中:LOUT為的輸出電感,即L1;
VIN(MAX)為最大的輸入電壓;
VOUT為輸出電壓;
ΔIL為允許的最大輸出電感紋波電流值,這個(gè)值通常必須小于0.8A。
電容的選擇要從電容直流額定電壓,電容的額定紋波電流,電源的最大輸出紋波電壓,電源的穩(wěn)定性等四個(gè)因素去考慮。電容額定電壓必須大于輸出電壓,一般至少要比輸出電壓高出10%,以控制紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。最大的電容紋波電流(即電容RMS電流)可以用式(6)計(jì)算,所選電容的額定紋波電流必須大于式(6)的計(jì)算結(jié)果。
IC(RMS,MAX)=1/根號(hào)12(VIN(MAX)-VOUT)VOUT)/VIN(MAX)LOUTsW (6)
式中:IC(RMS,MAX)為最大的電容RMS電流。
對(duì)于電源的最大輸出紋波電壓,首先,要確定具體應(yīng)用對(duì)輸出紋波電壓的要求,EL7558BC芯片輸出紋波電壓必須限制在輸出電壓的2%以內(nèi)。接著,利用式(7)計(jì)算允許的電容最大ESR,選擇最大額定ESR小于式(7)計(jì)算值,以確保輸出紋波電壓符合應(yīng)用要求。另外,電容ESR的溫漂也必須考慮在內(nèi)。
ESRMAX′=ΔV(MAX)/ΔIL(MAX) (7)
式中:ESRMAX為允許的最大輸出電容ESR;
ΔV(MAX)為允許的最大輸出紋波電壓值;
ΔIL(MAX)為允許的最大輸出紋波電流值,這個(gè)值通常必須小于0.8A。
可以通過多個(gè)電容并聯(lián)的方法來降低ESR,提高電路的瞬態(tài)響應(yīng),不過總的ESR必須大于10mΩ,總的電容值必須大于330μF。
2.5 布局布線注意事項(xiàng)
在布局布線時(shí),原則是所有的外圍元器件要盡可能的靠近EL7558BC電源芯片,尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應(yīng)的管腳附近。EL7558BC器件有兩個(gè)地(模擬地和電源地),模擬地連接所有噪聲敏感信號(hào),而電源地連接有噪聲的信號(hào)。兩個(gè)地之間引入噪聲將降低芯片的性能,尤其在大電流輸出的情況下。但是,模擬地的噪聲過大將會(huì)影響控制信號(hào),所以,推薦把模擬地和電源地分開,并且兩個(gè)地在一點(diǎn)(通常在芯片下面或者在輸入或輸出電容的負(fù)邊)直接連接以降低兩個(gè)地之間的噪聲。連接反饋腳(腳1和腳28)的走線對(duì)噪聲最為敏感,要盡可能地短,最好布在兩個(gè)地線中間。
EL7558BC芯片的散熱主要靠VSSP引腳以及芯片底部的散熱焊盤。為了達(dá)到良好的散熱性能,散熱焊盤必須完全焊接在PCB上,如果有中間的地層時(shí),必須通過多個(gè)過孔把地層與散熱焊盤相連以提高散熱效果。
3 結(jié)語(yǔ)
我們采用以上方法,用兩塊EL7558BC芯片設(shè)計(jì)了基于FPGA的MPEG?4解碼器芯片設(shè)計(jì)*演示開發(fā)板的電源(輸入4.5~5.5V,輸出3.3~1.5V)。其中3.3V輸出的設(shè)計(jì)電路如圖1所示,各項(xiàng)指標(biāo)如下:
1)輸出電壓校準(zhǔn)在輸入電壓從4.5V到5.5V及負(fù)載電流從0到8.0A的范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電壓變化不超過1.0%;
2)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)負(fù)載電流在15μs內(nèi)從0A到8A或從8A到0A突變,輸出電壓瞬時(shí)波動(dòng)不超過120mV,波動(dòng)時(shí)間不超過25μs;
3)輸出電壓紋波在輸入電壓為4.5~5.5V時(shí),輸出電壓紋波峰峰值低于22mV。
4)輸入電壓紋波在負(fù)載為8A,輸入電壓為4.5~5.5V時(shí),輸入電壓紋波峰峰值大約為230mV,
增大輸入電容值,將C9從220μF換成470μF,輸入電壓紋波峰峰值降到180mV左右。
基于EL7558BC的DC/DC模塊設(shè)計(jì)體現(xiàn)了新型的快速,簡(jiǎn)易的電源解決方案,其設(shè)計(jì)方法在目前的DC/DC變換器設(shè)計(jì)中是非常典型的,具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。