第四代SIMPLE SWITCHER開關穩(wěn)壓器產品介紹
[導讀]美國國家半導體推出了除”簡單易用”外，還能提供多種輸出電流的第四代SIMPLE SWITCHER® 產品組。
美國國家半導體推出了除”簡單易用”外，還能提供多種輸出電流的第四代SIMPLE SWITCHER® 產品組。本產品組具有良好的功能及設計自由度，支持設計工程師們使用它們設計出所需要的尺寸、EMI及輸入精確度的最佳電源裝置，同時，通過WEBENCH® 可以縮短產品上市時間。
背景
驅動電路需要電源IC。為了選擇電源IC，電源設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選擇開關穩(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穩(wěn)壓器轉移。
同時，開關穩(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穩(wěn)壓器，所以，電路變得復雜，設計上也出現(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，包括周邊產品在內，為了實現(xiàn)小型化，開關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計，電源集成電路的制造商推出了內置FET的開關穩(wěn)壓器。同時，因周邊部件的內置，也保證了產品的小型化，設計成專用的FET內裝，設計容易了許多。也就是說小型化及設計容易方面達到了兩全其美的效果。
同時，又出現(xiàn)了叫做內裝同步整流開關FET的SIMPLE SWITCHER—電源IC，所以，很容易使用能支持從50KHz到 1MHz之間的高速開關頻率的同步整流型開關穩(wěn)壓器。
何為SIMPLE SWITCHER
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導體所開發(fā)的新概念轉換器。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的產品。計劃在日后生產出可達到支持5A的產品時，如果有多通道負荷出現(xiàn)也能全部承受。當數(shù)字設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是美國國家半導體的注冊商標，是將在開關穩(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)。
美國國家半導體所提供的在線仿真提供了SIMPLE SWITCHER的選擇及電路的構成，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用要求設計電源電路。
SIMPLE SWITCHER 特征
美國國家半導體公司從1989年開始，以SIMPLE SWITCHER產品的性能和封裝、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產品。所有的產品可以通過在線 WEBENCH 電源供應系統(tǒng)設計軟件來方便快捷的使用。美國國家半導體的在線設計環(huán)境提供SIMPLE SWITCHER產品組能用于DC-DC轉換器設計的完整的設計環(huán)境。
最近發(fā)表的6個產品屬于新的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)，而開關頻率都可調節(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)，而開關頻率都可調節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 1MHz 之間。
LM5574 芯片內置 75V、750 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25574 芯片則內置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用 16 引腳的 TSSOP 封裝。LM5575 芯片內置 75V、330 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25575 芯片則內置 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 芯片內置 75V、170 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25576 芯片則內置 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 (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的產品及略圖
從圖1的電路(LM5576標準)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，關閉狀態(tài)下下降至谷底。工作期間內， 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，因為反向恢復電流會引起對IC的破壞。理想的反向恢復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用特別重要的二極管特性。反向恢復特性在降壓開關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特點，可將在各周期的導通（turn on）期間發(fā)生的降壓開關中瞬間尖峰電流降低為最小。其結果是降壓開關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)導通模式（CCM）中，最大的紋波電流IRIPPLE應小于最小負荷電流的2倍。這里31uH程度較適合。
WEBENCH設計程序
WEBENCH設計程序是美國國家半導體為了用戶所提供的在線設計程序。任何需要電源電路的人都可以在線進行設計并獲得想要的結果。其最大的優(yōu)點就是使用方便。在新版本中，包括SIMPLE SWITCHER在內，可以設計的產品數(shù)量已經有了大幅度地增長。
想要設計含有SIMPLE SWITCHER的電源電路時，
1） 設計人員在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、效率等內容。
4） 輸出已經考慮好電特性的最佳電路
5） 輸出已經考慮好電特性的板設計圖。
6） 通過WebSIM進行模擬試驗。
7） 訂制在線原型。
8） 48小時內，能從公司收到原型
應用
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、內裝程序、內存及具有高輸入電壓的產品為目標。
《參考》
1) www.national.com 主頁，
2) “Step down switching regulator”， Preliminary JAN 2007
3)SIMPLE SWITCHER應用程序信息
4) SIMPLE SWITCHER報道材料
5)SIMPLE SWITCHER介紹資料
背景
驅動電路需要電源IC。為了選擇電源IC，電源設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選擇開關穩(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穩(wěn)壓器轉移。
同時，開關穩(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穩(wěn)壓器，所以，電路變得復雜，設計上也出現(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，包括周邊產品在內，為了實現(xiàn)小型化，開關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計，電源集成電路的制造商推出了內置FET的開關穩(wěn)壓器。同時，因周邊部件的內置，也保證了產品的小型化，設計成專用的FET內裝，設計容易了許多。也就是說小型化及設計容易方面達到了兩全其美的效果。
同時，又出現(xiàn)了叫做內裝同步整流開關FET的SIMPLE SWITCHER—電源IC，所以，很容易使用能支持從50KHz到 1MHz之間的高速開關頻率的同步整流型開關穩(wěn)壓器。
何為SIMPLE SWITCHER
SIMPLE SWITCHER是美國國家半導體所開發(fā)的新概念轉換器。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的產品。計劃在日后生產出可達到支持5A的產品時，如果有多通道負荷出現(xiàn)也能全部承受。當數(shù)字設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是美國國家半導體的注冊商標，是將在開關穩(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)。
美國國家半導體所提供的在線仿真提供了SIMPLE SWITCHER的選擇及電路的構成，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用要求設計電源電路。
SIMPLE SWITCHER 特征
美國國家半導體公司從1989年開始，以SIMPLE SWITCHER產品的性能和封裝、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產品。所有的產品可以通過在線 WEBENCH 電源供應系統(tǒng)設計軟件來方便快捷的使用。美國國家半導體的在線設計環(huán)境提供SIMPLE SWITCHER產品組能用于DC-DC轉換器設計的完整的設計環(huán)境。
最近發(fā)表的6個產品屬于新的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)，而開關頻率都可調節(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)，而開關頻率都可調節(jié)，范圍則介于 50kHz 與 1MHz 之間。
LM5574 芯片內置 75V、750 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25574 芯片則內置 42V 的 N 通道 MOSFET，這兩款芯片都采用 16 引腳的 TSSOP 封裝。LM5575 芯片內置 75V、330 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25575 芯片則內置 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 芯片內置 75V、170 m-Ohm 的 N 通道 MOSFET，而 LM25576 芯片則內置 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 (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的產品及略圖
從圖1的電路(LM5576標準)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，關閉狀態(tài)下下降至谷底。工作期間內， 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，因為反向恢復電流會引起對IC的破壞。理想的反向恢復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用特別重要的二極管特性。反向恢復特性在降壓開關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特點，可將在各周期的導通（turn on）期間發(fā)生的降壓開關中瞬間尖峰電流降低為最小。其結果是降壓開關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)導通模式（CCM）中，最大的紋波電流IRIPPLE應小于最小負荷電流的2倍。這里31uH程度較適合。
WEBENCH設計程序
WEBENCH設計程序是美國國家半導體為了用戶所提供的在線設計程序。任何需要電源電路的人都可以在線進行設計并獲得想要的結果。其最大的優(yōu)點就是使用方便。在新版本中，包括SIMPLE SWITCHER在內，可以設計的產品數(shù)量已經有了大幅度地增長。
想要設計含有SIMPLE SWITCHER的電源電路時，
1） 設計人員在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、效率等內容。
4） 輸出已經考慮好電特性的最佳電路
5） 輸出已經考慮好電特性的板設計圖。
6） 通過WebSIM進行模擬試驗。
7） 訂制在線原型。
8） 48小時內，能從公司收到原型
應用
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、內裝程序、內存及具有高輸入電壓的產品為目標。
《參考》
1) www.national.com 主頁，
2) “Step down switching regulator”， Preliminary JAN 2007
3)SIMPLE SWITCHER應用程序信息
4) SIMPLE SWITCHER報道材料
5)SIMPLE SWITCHER介紹資料
下載文檔
