第四代SIMPLE SWITCHER開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品介紹
[導(dǎo)讀]美國國家半導(dǎo)體推出了除”簡單易用”外，還能提供多種輸出電流的第四代SIMPLE SWITCHER® 產(chǎn)品組。
美國國家半導(dǎo)體推出了除”簡單易用”外，還能提供多種輸出電流的第四代SIMPLE SWITCHER® 產(chǎn)品組。本產(chǎn)品組具有良好的功能及設(shè)計自由度，支持設(shè)計工程師們使用它們設(shè)計出所需要的尺寸、EMI及輸入精確度的最佳電源裝置，同時，通過WEBENCH® 可以縮短產(chǎn)品上市時間。
背景
驅(qū)動電路需要電源IC。為了選擇電源IC，電源設(shè)計工程師們一般選擇輸入電壓、輸出電壓和輸出電流后根據(jù)熱效率來考慮選擇線性穩(wěn)壓器還是選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。
如果電路比較簡單，而且對于效率沒有要求時，可以選擇線性穩(wěn)壓器，而對于效率高并且需要具有高密度電源的空間時應(yīng)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。但是，由于線性穩(wěn)壓器在低壓情況下存在過度發(fā)熱及效率低等問題，因此開始逐漸向開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)移。
同時，開關(guān)穩(wěn)壓器在低輸出電壓，高效率的要求下發(fā)展出采用同步整流方式的開關(guān)穩(wěn)壓器，所以，電路變得復(fù)雜，設(shè)計上也出現(xiàn)了一些問題。尤其是在機器的小型化過程中，電源電路也要求節(jié)省空間，包括周邊產(chǎn)品在內(nèi)，為了實現(xiàn)小型化，開關(guān)頻率也向高頻率方向發(fā)展。
為了繼續(xù)高頻率化以及芯片的小型化并且能夠更簡單地進行設(shè)計，電源集成電路的制造商推出了內(nèi)置FET的開關(guān)穩(wěn)壓器。同時，因周邊部件的內(nèi)置，也保證了產(chǎn)品的小型化，設(shè)計成專用的FET內(nèi)裝，設(shè)計容易了許多。也就是說小型化及設(shè)計容易方面達到了兩全其美的效果。
同時，又出現(xiàn)了叫做內(nèi)裝同步整流開關(guān)FET的SIMPLE SWITCHER—電源IC，所以，很容易使用能支持從50KHz到 1MHz之間的高速開關(guān)頻率的同步整流型開關(guān)穩(wěn)壓器。
何為SIMPLE SWITCHER
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導(dǎo)體所開發(fā)的新概念轉(zhuǎn)換器。SIMPLE SWITCHER可分為， 工作在52KHz的第一代， 工作在150KHz的第二代， 工作在260KHz并且具有同步引腳的第三代，能支持到1MHz，并且在所有產(chǎn)品中都有同步引腳的第四代等。
第四代SIMPLE SWITCHER是在輸入為6V~45V/75V下，輸出電流達到0.5A， 1.5A， 3A的產(chǎn)品。計劃在日后生產(chǎn)出可達到支持5A的產(chǎn)品時，如果有多通道負荷出現(xiàn)也能全部承受。當(dāng)數(shù)字設(shè)備中需要多個的電源器件全都嵌在一個芯片中時，所支持的電源通道也需要那么多。
之所以提高開關(guān)頻率，是因為可以縮小周邊元件的尺寸。在同樣的3A輸出中，開關(guān)的頻率從50kHz提高到 1MHz時，線圈的大小從100uH縮小到 10uH。這樣，器件的尺寸將大幅下降，電源電路的空間也明顯地減少。但是，由于無法再提高門驅(qū)動的電流量，所以頻率范圍將無法無限提高。同時，在提高頻率后噪音特性變壞。
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導(dǎo)體的注冊商標(biāo)，是將在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中必需的FET及 PWM單元集成在一個芯片里的電源集成電路。這兩個單元分離后稱為控制器。過去，因為需要使用其它的外圍部件，電路變得很復(fù)雜。而在采用SIMPLE SWITCHER后，只需要選擇適合于所需用途的器件即可實現(xiàn)。
美國國家半導(dǎo)體所提供的在線仿真提供了SIMPLE SWITCHER的選擇及電路的構(gòu)成，由于從部件選擇到參考電路都能夠提供，所以即使非電源專業(yè)工程師們也可以按其應(yīng)用要求設(shè)計電源電路。
SIMPLE SWITCHER 特征
美國國家半導(dǎo)體公司從1989年開始，以SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品的性能和封裝、電壓及電流多樣性為重點持續(xù)進行了多樣化工作，現(xiàn)能提供500多種豐富的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品。所有的產(chǎn)品可以通過在線 WEBENCH 電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計軟件來方便快捷的使用。美國國家半導(dǎo)體的在線設(shè)計環(huán)境提供SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品組能用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的完整的設(shè)計環(huán)境。
最近發(fā)表的6個產(chǎn)品屬于新的SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器系列
上述 6 款芯片是 SIMPLE SWITCHER 穩(wěn)壓器系列的最新型號產(chǎn)品。0.5A 的 LM5574、1.5A 的 LM5575 及 3.0A 的 LM5576 等三款降壓穩(wěn)壓器都有極廣闊的輸入電壓范圍 (6V 至 75V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 500kHz 之間。0.5A 的 LM25574、1.5A 的 LM25575 及 3.0A 的 LM25576 等三款降壓穩(wěn)壓器都有廣闊的輸入電壓范圍 (6V 至 42V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 1MHz 之間。
LM5574 芯片內(nèi)置 75V、750 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25574 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用 16 引腳的 TSSOP 封裝。LM5575 芯片內(nèi)置 75V、330 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25575 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的 16 引腳 TSSOP 封裝。LM5576 芯片內(nèi)置 75V、170 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25576 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的 20 引腳 TSSOP 封裝。
特別是新型SIMPLE SWITCHER采用的的模擬電流模式控制技術(shù) (ECM) 功能通過輸入輸出壓差模擬電感電流以達到精確控制的目的。所以能提供比其他公司產(chǎn)品更低更精確的1.225V輸出電壓。是沒有ECM功能就不能實現(xiàn)的性能。
一般的，在大的輸入輸出壓差條件下，如果要降低輸出電壓就必須降低頻率，但是美國國家半導(dǎo)體的ECM功能可以實現(xiàn)提高頻率且降低輸出電壓。
電路分析
《圖1》SIMPLE SWITCHER的產(chǎn)品及略圖
從圖1的電路(LM5576標(biāo)準)中各器件的功能來看，
C1: 穩(wěn)壓器電源電壓，為了減小輸入電源的阻抗，優(yōu)質(zhì)的輸入電容器(Capacitor)用于VIN 端的紋波電壓控制，在工作期間提供大部分的開關(guān)電流。打開降壓穩(wěn)壓器，進入VIN 端的電流從電感器電流波形的低值上升至最高值。然后，關(guān)閉狀態(tài)下下降至谷底。工作期間內(nèi)， VIN的平均電流為負載電流。輸入電容(Capacitance)由RMS額定電流和最大的紋波電壓來選擇。建議采用低等效串聯(lián)電阻(ESR) 陶瓷電容器為了實現(xiàn)電容公差和電壓效果，會使用2.2μF/100V 陶瓷電容器。
C2: 輸出電容，C2消除電感器紋波，提供過載狀態(tài)的放電電源。為了這個設(shè)計，會選擇22μF陶瓷電容器。陶瓷電容器會提供低等效串聯(lián)電阻(ESR)，降低輸出紋波電壓和噪音干擾。
D1:所有LM5576 應(yīng)用要求使用肖特基類型的續(xù)流二極管。超高速二極管不會被推薦，因為反向恢復(fù)電流會引起對IC的破壞。理想的反向恢復(fù)特性和低正向壓降是對于降壓穩(wěn)壓器高輸入電壓和低輸出應(yīng)用特別重要的二極管特性。反向恢復(fù)特性在降壓開關(guān)被打開時決定浪涌電流在各周期能維持多久。
肖特基二極管的反向恢復(fù)特點，可將在各周期的導(dǎo)通（turn on）期間發(fā)生的降壓開關(guān)中瞬間尖峰電流降低為最小。其結(jié)果是降壓開關(guān)變換引起的損失在使用肖特基二極管的時候大大減少。
L1: 電感器值由工作頻率、負荷電流、紋波電流、最小及最大輸入電壓(VIN(min), VIN(max))值決定。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中，最大的紋波電流IRIPPLE應(yīng)小于最小負荷電流的2倍。這里31uH程度較適合。
WEBENCH設(shè)計程序
WEBENCH設(shè)計程序是美國國家半導(dǎo)體為了用戶所提供的在線設(shè)計程序。任何需要電源電路的人都可以在線進行設(shè)計并獲得想要的結(jié)果。其最大的優(yōu)點就是使用方便。在新版本中，包括SIMPLE SWITCHER在內(nèi)，可以設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)有了大幅度地增長。
想要設(shè)計含有SIMPLE SWITCHER的電源電路時，
1） 設(shè)計人員在WEBENCH上鍵入輸入電壓、輸出電壓/電流等。
2） 如果出現(xiàn)最合理的部件時，即可選擇。
3） 利用鍵入功能詳細地輸入熱特性、尺寸、效率等內(nèi)容。
4） 輸出已經(jīng)考慮好電特性的最佳電路
5） 輸出已經(jīng)考慮好電特性的板設(shè)計圖。
6） 通過WebSIM進行模擬試驗。
7） 訂制在線原型。
8） 48小時內(nèi)，能從公司收到原型
應(yīng)用
SIMPLE SWITCHER是以為POL穩(wěn)壓器生成低電壓分散通道或如同運算放大器的偏置電壓、內(nèi)裝程序、內(nèi)存及具有高輸入電壓的產(chǎn)品為目標(biāo)。
《參考》
1) www.national.com 主頁，
2) “Step down switching regulator”， Preliminary JAN 2007
3)SIMPLE SWITCHER應(yīng)用程序信息
4) SIMPLE SWITCHER報道材料
5)SIMPLE SWITCHER介紹資料
背景
驅(qū)動電路需要電源IC。為了選擇電源IC，電源設(shè)計工程師們一般選擇輸入電壓、輸出電壓和輸出電流后根據(jù)熱效率來考慮選擇線性穩(wěn)壓器還是選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。
如果電路比較簡單，而且對于效率沒有要求時，可以選擇線性穩(wěn)壓器，而對于效率高并且需要具有高密度電源的空間時應(yīng)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。但是，由于線性穩(wěn)壓器在低壓情況下存在過度發(fā)熱及效率低等問題，因此開始逐漸向開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)移。
同時，開關(guān)穩(wěn)壓器在低輸出電壓，高效率的要求下發(fā)展出采用同步整流方式的開關(guān)穩(wěn)壓器，所以，電路變得復(fù)雜，設(shè)計上也出現(xiàn)了一些問題。尤其是在機器的小型化過程中，電源電路也要求節(jié)省空間，包括周邊產(chǎn)品在內(nèi)，為了實現(xiàn)小型化，開關(guān)頻率也向高頻率方向發(fā)展。
為了繼續(xù)高頻率化以及芯片的小型化并且能夠更簡單地進行設(shè)計，電源集成電路的制造商推出了內(nèi)置FET的開關(guān)穩(wěn)壓器。同時，因周邊部件的內(nèi)置，也保證了產(chǎn)品的小型化，設(shè)計成專用的FET內(nèi)裝，設(shè)計容易了許多。也就是說小型化及設(shè)計容易方面達到了兩全其美的效果。
同時，又出現(xiàn)了叫做內(nèi)裝同步整流開關(guān)FET的SIMPLE SWITCHER—電源IC，所以，很容易使用能支持從50KHz到 1MHz之間的高速開關(guān)頻率的同步整流型開關(guān)穩(wěn)壓器。
何為SIMPLE SWITCHER
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導(dǎo)體所開發(fā)的新概念轉(zhuǎn)換器。SIMPLE SWITCHER可分為， 工作在52KHz的第一代， 工作在150KHz的第二代， 工作在260KHz并且具有同步引腳的第三代，能支持到1MHz，并且在所有產(chǎn)品中都有同步引腳的第四代等。
第四代SIMPLE SWITCHER是在輸入為6V~45V/75V下，輸出電流達到0.5A， 1.5A， 3A的產(chǎn)品。計劃在日后生產(chǎn)出可達到支持5A的產(chǎn)品時，如果有多通道負荷出現(xiàn)也能全部承受。當(dāng)數(shù)字設(shè)備中需要多個的電源器件全都嵌在一個芯片中時，所支持的電源通道也需要那么多。
之所以提高開關(guān)頻率，是因為可以縮小周邊元件的尺寸。在同樣的3A輸出中，開關(guān)的頻率從50kHz提高到 1MHz時，線圈的大小從100uH縮小到 10uH。這樣，器件的尺寸將大幅下降，電源電路的空間也明顯地減少。但是，由于無法再提高門驅(qū)動的電流量，所以頻率范圍將無法無限提高。同時，在提高頻率后噪音特性變壞。
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導(dǎo)體的注冊商標(biāo)，是將在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中必需的FET及 PWM單元集成在一個芯片里的電源集成電路。這兩個單元分離后稱為控制器。過去，因為需要使用其它的外圍部件，電路變得很復(fù)雜。而在采用SIMPLE SWITCHER后，只需要選擇適合于所需用途的器件即可實現(xiàn)。
美國國家半導(dǎo)體所提供的在線仿真提供了SIMPLE SWITCHER的選擇及電路的構(gòu)成，由于從部件選擇到參考電路都能夠提供，所以即使非電源專業(yè)工程師們也可以按其應(yīng)用要求設(shè)計電源電路。
SIMPLE SWITCHER 特征
美國國家半導(dǎo)體公司從1989年開始，以SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品的性能和封裝、電壓及電流多樣性為重點持續(xù)進行了多樣化工作，現(xiàn)能提供500多種豐富的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品。所有的產(chǎn)品可以通過在線 WEBENCH 電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計軟件來方便快捷的使用。美國國家半導(dǎo)體的在線設(shè)計環(huán)境提供SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品組能用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的完整的設(shè)計環(huán)境。
最近發(fā)表的6個產(chǎn)品屬于新的SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器系列
上述 6 款芯片是 SIMPLE SWITCHER 穩(wěn)壓器系列的最新型號產(chǎn)品。0.5A 的 LM5574、1.5A 的 LM5575 及 3.0A 的 LM5576 等三款降壓穩(wěn)壓器都有極廣闊的輸入電壓范圍 (6V 至 75V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 500kHz 之間。0.5A 的 LM25574、1.5A 的 LM25575 及 3.0A 的 LM25576 等三款降壓穩(wěn)壓器都有廣闊的輸入電壓范圍 (6V 至 42V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 1MHz 之間。
LM5574 芯片內(nèi)置 75V、750 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25574 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用 16 引腳的 TSSOP 封裝。LM5575 芯片內(nèi)置 75V、330 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25575 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的 16 引腳 TSSOP 封裝。LM5576 芯片內(nèi)置 75V、170 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25576 芯片則內(nèi)置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的 20 引腳 TSSOP 封裝。
特別是新型SIMPLE SWITCHER采用的的模擬電流模式控制技術(shù) (ECM) 功能通過輸入輸出壓差模擬電感電流以達到精確控制的目的。所以能提供比其他公司產(chǎn)品更低更精確的1.225V輸出電壓。是沒有ECM功能就不能實現(xiàn)的性能。
一般的，在大的輸入輸出壓差條件下，如果要降低輸出電壓就必須降低頻率，但是美國國家半導(dǎo)體的ECM功能可以實現(xiàn)提高頻率且降低輸出電壓。
電路分析
《圖1》SIMPLE SWITCHER的產(chǎn)品及略圖
從圖1的電路(LM5576標(biāo)準)中各器件的功能來看，
C1: 穩(wěn)壓器電源電壓，為了減小輸入電源的阻抗，優(yōu)質(zhì)的輸入電容器(Capacitor)用于VIN 端的紋波電壓控制，在工作期間提供大部分的開關(guān)電流。打開降壓穩(wěn)壓器，進入VIN 端的電流從電感器電流波形的低值上升至最高值。然后，關(guān)閉狀態(tài)下下降至谷底。工作期間內(nèi)， VIN的平均電流為負載電流。輸入電容(Capacitance)由RMS額定電流和最大的紋波電壓來選擇。建議采用低等效串聯(lián)電阻(ESR) 陶瓷電容器為了實現(xiàn)電容公差和電壓效果，會使用2.2μF/100V 陶瓷電容器。
C2: 輸出電容，C2消除電感器紋波，提供過載狀態(tài)的放電電源。為了這個設(shè)計，會選擇22μF陶瓷電容器。陶瓷電容器會提供低等效串聯(lián)電阻(ESR)，降低輸出紋波電壓和噪音干擾。
D1:所有LM5576 應(yīng)用要求使用肖特基類型的續(xù)流二極管。超高速二極管不會被推薦，因為反向恢復(fù)電流會引起對IC的破壞。理想的反向恢復(fù)特性和低正向壓降是對于降壓穩(wěn)壓器高輸入電壓和低輸出應(yīng)用特別重要的二極管特性。反向恢復(fù)特性在降壓開關(guān)被打開時決定浪涌電流在各周期能維持多久。
肖特基二極管的反向恢復(fù)特點，可將在各周期的導(dǎo)通（turn on）期間發(fā)生的降壓開關(guān)中瞬間尖峰電流降低為最小。其結(jié)果是降壓開關(guān)變換引起的損失在使用肖特基二極管的時候大大減少。
L1: 電感器值由工作頻率、負荷電流、紋波電流、最小及最大輸入電壓(VIN(min), VIN(max))值決定。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中，最大的紋波電流IRIPPLE應(yīng)小于最小負荷電流的2倍。這里31uH程度較適合。
WEBENCH設(shè)計程序
WEBENCH設(shè)計程序是美國國家半導(dǎo)體為了用戶所提供的在線設(shè)計程序。任何需要電源電路的人都可以在線進行設(shè)計并獲得想要的結(jié)果。其最大的優(yōu)點就是使用方便。在新版本中，包括SIMPLE SWITCHER在內(nèi)，可以設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)有了大幅度地增長。
想要設(shè)計含有SIMPLE SWITCHER的電源電路時，
1） 設(shè)計人員在WEBENCH上鍵入輸入電壓、輸出電壓/電流等。
2） 如果出現(xiàn)最合理的部件時，即可選擇。
3） 利用鍵入功能詳細地輸入熱特性、尺寸、效率等內(nèi)容。
4） 輸出已經(jīng)考慮好電特性的最佳電路
5） 輸出已經(jīng)考慮好電特性的板設(shè)計圖。
6） 通過WebSIM進行模擬試驗。
7） 訂制在線原型。
8） 48小時內(nèi)，能從公司收到原型
應(yīng)用
SIMPLE SWITCHER是以為POL穩(wěn)壓器生成低電壓分散通道或如同運算放大器的偏置電壓、內(nèi)裝程序、內(nèi)存及具有高輸入電壓的產(chǎn)品為目標(biāo)。
《參考》
1) www.national.com 主頁，
2) “Step down switching regulator”， Preliminary JAN 2007
3)SIMPLE SWITCHER應(yīng)用程序信息
4) SIMPLE SWITCHER報道材料
5)SIMPLE SWITCHER介紹資料
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