SC2463 多路輸出開關(guān)電源控制器及其應(yīng)用

SC2463 多路輸出開關(guān)電源控制器及其應(yīng)用

SC2463是一個(gè)高性能多輸出降壓轉(zhuǎn)換控制器。它可以被配置用在不同的電源管理應(yīng)用中，比如有多路輸出電壓需求的ADSL電源，需要正負(fù)電壓的混合信號(hào)電源，電腦調(diào)制解調(diào)器電源，基站電源，通用的多路輸出電壓的電源系統(tǒng)。

描述
    SC2463提供了4．5V至30V的寬輸入電壓范圍，兩個(gè)可設(shè)置達(dá)700 kHz開關(guān)頻率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，能提供高達(dá)15A輸出電流及低至0.5V輸出電壓。它還提供了兩個(gè)正輸出電壓線性調(diào)節(jié)器。芯片TSS0P一28小封裝極大地減小了線路板面積。

    SC2463兩個(gè)異相降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以減小輸入電流紋波，允許使用更少的輸入電容。高達(dá)700kHz的開關(guān)頻率可以減少輸出電壓紋波并且降低噪音，同時(shí)還可以減小輸出電感和電容的尺寸。其它的特性還包括軟啟動(dòng)，電源正常指示和頻率同步。如圖l所示，電源VIN，PVCC和AVCC都給SC2463供電。其中AVCC為芯片內(nèi)部振蕩器、開關(guān)、低差壓穩(wěn)壓器和電源正常電路提供偏置電壓。PVCC用來(lái)驅(qū)動(dòng)低端場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)VIN高于14V時(shí)，需串聯(lián)一個(gè)1100kΩ的電阻或一個(gè)外部PNP晶體管作為線性調(diào)節(jié)器，給AVCC和PVCC提供偏置電壓。SC2463利用一個(gè)內(nèi)部電流源和一個(gè)連在ILIM和AGND之間的外部電阻來(lái)調(diào)節(jié)通過場(chǎng)效應(yīng)管的電流限流值。

    如圖2所示，SC2463啟動(dòng)時(shí)由一個(gè)5μA電流源給軟啟動(dòng)管腳SS充電。當(dāng)管腳SS電壓達(dá)到O．5 V時(shí)，第一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器開始啟動(dòng)，誤差放大器的參考電壓隨軟啟動(dòng)信號(hào)開始上升。當(dāng)管腳ss電壓達(dá)到3 V時(shí)．將立刻被下拉到大約0 7V，此時(shí)第二個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器開始按照第一開關(guān)轉(zhuǎn)換器的形式進(jìn)行軟啟動(dòng)。當(dāng)管腳SS電壓第二次到達(dá)3V時(shí)，便會(huì)被第二次下拉至大約O．7V，此時(shí)兩個(gè)正向LD0被啟動(dòng)。正向LDO的參考電壓隨管腳SS電壓開始上升。管腳SS將會(huì)上拉至電源電壓AVCC。此時(shí)間由管腳SS上的軟啟動(dòng)電容值(C5)來(lái)控制。如果管腳SS被外部信號(hào)下拉至0．5 V以下，SC2463則不能工作。電源正常信號(hào)輸出(POK)用來(lái)監(jiān)測(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器中誤差放大器的反饋電壓(FB)，如果這電壓高于0．55V或低于O．45V，管腳POK便會(huì)被拉低，并且保持低態(tài)直到啟動(dòng)結(jié)束。低端柵極驅(qū)動(dòng)器由PVCC供電并提供1A的峰值電流。高端柵極驅(qū)動(dòng)也能提供1A峰值電流。

    圖2中波形A是軟啟動(dòng)管腳SS上的電壓。波形B是第一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的上端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電壓(GDIH)。波形C是二個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的上端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電壓(GD2H)。波形D是LDO輸出電壓(2 6V)。圖1中的SC2463電源1．2V輸出電壓首先建立。隨后建立的輸出電壓是3．3 V。而二組線性穩(wěn)壓的2 6V和1．8V輸出電壓最后建立。

2 電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)
    降壓式開關(guān)電源功率器件基本上是由濾波電感，輸出濾波電容，輸入濾波電容和功率場(chǎng)效應(yīng)管所組成。

2.1 電感設(shè)計(jì)
    輸出電感的選擇及設(shè)計(jì)是基于輸出DC電壓的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的要求。較大的電感值可減小輸出紋波電流和紋波電壓，但在負(fù)載瞬變過程中改變電感電流的時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)。較小的電感值可得到低的直流銅損，但是交流磁芯損耗和交流繞線電阻損耗會(huì)變大。折衷的方法是選擇電感紋波電流峰峰值在輸出負(fù)載電流額定值的20％到30％之間。假定電感紋波電流峰峰值是負(fù)載直流電流的20％，那么輸出電感值為

   
    以圖1中開關(guān)變換器中的L1為例，VIN=5V，Vo=3．3 V，Io=3 A，fs=150 kHz，由此計(jì)算出來(lái)的電感值是12．5 μH?？蛇x用市場(chǎng)上很容易采購(gòu)到的15 μH／5 A表面貼裝電感。

2．2 輸出電容
    輸出電容應(yīng)按照輸出電壓紋波和負(fù)載動(dòng)態(tài)變化要求來(lái)選擇。輸出電感產(chǎn)生的紋波電流會(huì)在輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)上產(chǎn)生輸出電壓紋波(VRIPPLE)。為了滿足輸出電壓紋波要求，輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)必須滿足式(2)，即

   
    以圖l為例，VIN=5V，Vo=3．3V，fs=150kHz，L=15μH，VRIPPs=50 mV，那么計(jì)算出來(lái)的RESR值是100mΩ。在本例中采用了一個(gè)RESR為100 mΩ，電容量為100μF鉭電容。

2.3 功率場(chǎng)效應(yīng)管
    場(chǎng)效應(yīng)管是通過它的內(nèi)阻(RDSON)，柵極電容及電荷(θg)，和封裝熱阻(θJA)這3個(gè)參數(shù)來(lái)選擇的。利用SC24631A內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)柵極電荷為25 nC的場(chǎng)效應(yīng)管(FDS6898A)會(huì)產(chǎn)生大約25 ns的開關(guān)升／降時(shí)間(ts=25 nC／lA)，將在上端場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)時(shí)產(chǎn)生開關(guān)損耗(RQ1-1S)
    PQ1-S=IoVINtsfs                                   （3）

    上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q1一1)的柵極損耗(Po1-1GATE)近似為
    PQ1-1_GATE≈QGVINfs                               （4）

    上端場(chǎng)效應(yīng)管在導(dǎo)通時(shí)的損耗為
    PQ1-1_c=I20RDSOND                                 （5）

    上端場(chǎng)效應(yīng)管總損耗(PQ1-1)足它的柵極損耗，傳導(dǎo)損耗，和開關(guān)損耗的總和，即
    PQ1-1=PQ1-1_GATE+；Q1-1_c+PQ1-1_s                 （6）

    由于在上端和下端場(chǎng)效應(yīng)管之間無(wú)重疊傳導(dǎo)，下端場(chǎng)效應(yīng)管漏極和源極之間的寄生二極管總是在下端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通之前導(dǎo)通。下端場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電壓儀為一個(gè)在漏極和源極之間二極管的電壓(VSD=0.7V)。此下端場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)損耗為
    Q1-2_=tsIOUTVSDfs                                 （7）

    下端場(chǎng)效應(yīng)管的柵極損耗(PQ1-2GATE)也可由式(8)近似得到，即
    PQI-2_ (GATE≈QGVOMfs                             （8）

    下端場(chǎng)效應(yīng)管在導(dǎo)通時(shí)的損耗為
    PQ1-2c=I2ORDSON(1一D)                             （9）

    在死區(qū)時(shí)問內(nèi)Q1-2的損耗是在它寄生二極管上的傳導(dǎo)損耗(PQ1-2D)，即
    PQI-2=VSDfsIOUTtDEAD                              （10）
式中：tDEAD是電源控制芯片上下端場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)的死區(qū)時(shí)間，SC2463的死區(qū)時(shí)間約為100ns。
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    Q1一2的總損耗(PQ1-2)是它的柵極損耗，傳導(dǎo)損耗，開關(guān)損耗和寄生二極管傳導(dǎo)損耗的總和，即
    PQ1-2=RQ1-2_GATE+PQ1-2_D+PQ1-2_S                  （11）

    以圖1為例，F(xiàn)DS6898A上下端導(dǎo)通內(nèi)阻都是14m,．q，整個(gè)FDS6898損耗為O 34w。

    場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫可由式(12)計(jì)算，即
    TJ=TA+θJA·PLOSS                                  （12）

    從FDS6898A手冊(cè)上可查到它最大的結(jié)溫至室溫?zé)嶙枋?8℃／W(θ1A)，如果圖1電源環(huán)境最高溫度是45℃，那么Q1工作結(jié)溫(TQ1J)為72℃(45+78×O.34)。這溫度遠(yuǎn)小于FDS6898A 150℃的結(jié)溫限制。這里假設(shè)Q1被直接焊在2盎司銅層和1平方英寸面積的PCB散熱焊盤上。如果需要更進(jìn)一步降低Q1的結(jié)溫，可以增加PCB散熱焊盤面積或?qū)1套上外加的散熱器。另外，芯片到散熱焊盤的焊接，封裝芯片材料，熱接觸面，熱結(jié)合性能，可得到的有效散熱區(qū)域和環(huán)境空氣流動(dòng)狀況(自然或強(qiáng)制對(duì)流)都對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管晶片的溫升都有很大的關(guān)系。實(shí)際溫度的測(cè)量和驗(yàn)證是場(chǎng)效應(yīng)管熱沒計(jì)的關(guān)鍵。表1是場(chǎng)效應(yīng)管功率損耗的匯總。

    圖l中開關(guān)轉(zhuǎn)換器另一路(12V→1．2V／3A)中的功率器件可用同樣方式來(lái)設(shè)計(jì)。

3 PCB排板要點(diǎn)
    電源功率器件在PCB上的正確放置和走線將決定整個(gè)電源工作是否正常。設(shè)計(jì)人員首先要對(duì)開關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一定的了解。圖3更進(jìn)一步顯示了一個(gè)降壓式開關(guān)電源功率電路元器件上的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容(GIN)，上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)和下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以要盡量減小由GIN一Q1一Q2所形成的環(huán)路面積。同時(shí)由下端場(chǎng)效應(yīng)管(O2)，電感(L)，和輸出濾波電容(COUT)所組成的環(huán)路面積也要盡量減小。

    圖4是一個(gè)比較好的電源功率電路PCB走線。CIN一Q1-Q2和Q2-L一COUT環(huán)路的面積已控制得最小。上端場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)的源極，下端場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的漏極和輸出電感(L)之間的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻電流，Q1和Q2和L需要靠得非常近。雖然輸出濾波電感(L)和輸出濾波電容(COUT)之間的走線上沒有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線可以降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB。但必須注意在地層上盡量避免走功率和信號(hào)線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個(gè)瓷片電容器來(lái)改善電源的高頻濾波性能。

    參照文獻(xiàn)中討論過的要點(diǎn)，我們首先需要將連接到功率地層的元器件和連接到控制信號(hào)地層的元器件區(qū)分開來(lái)，然后將控制信號(hào)器件靠近信號(hào)地層和控制芯片(SC2463)?？刂菩盘?hào)地層與功率地層需分隔開來(lái)并通過單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)通常會(huì)選擇在控制芯片的接地腳(SC2463的腳21)。

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4 結(jié)語(yǔ)
    SC2463對(duì)于多輸出的電壓應(yīng)用非常適合。它的高度集成減小了線路板面積，降低了產(chǎn)品的成本。芯片中內(nèi)置的輸出電壓啟動(dòng)順序滿足了許多系統(tǒng)芯片的上電要求。