利用集成化開關(guān)穩(wěn)壓器簡化電源設(shè)計

一提到電源設(shè)計，大多數(shù)工程師都會感到撓頭，他們往往會問“從哪里入手呢”。首先先必須確定電源的拓?fù)?，包括降壓、升壓、flyback、半橋和全橋等，還要確定控制方案、電壓模式、電流模式、固定導(dǎo)通時間等。其他問題還包括：(1)電源的頻率特性如何？這將決定應(yīng)該使用何種電感和電容，以滿足輸出紋波和負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)的要求。(2)為了確保整個電路在各種負(fù)載、溫度條件下的穩(wěn)定性，應(yīng)該采用哪種補(bǔ)償方案呢？(3)選擇“合適的”MOSFET也并非小事一樁。驅(qū)動電路能否控制MOSFET的柵電容？寄生電容和Rds(on)又將如何影響總功耗？

但需要回答的問題還不僅僅局限于此。PCB設(shè)計工程師可能會來告訴你，PCB板上沒有足夠的空間來容納所有選定的元件?？刂破鲬?yīng)該放在哪里？或者，MOSFET、輸入電容、電感、輸出電容、控制電路等等又該放在哪里？采用何種接地方案？PGND和AGND在哪里連接？為了獲得最佳的電磁干擾(EMI)性能或消除噪聲干擾，如何才能盡量減少AC環(huán)路？散熱器應(yīng)放在哪里？氣流的方向如何？應(yīng)該使用多少過孔？

上述這些問題表明，電源開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計不是一項簡單的任務(wù)。但I(xiàn)ntersil的集成化FET DC/DC穩(wěn)壓器使降壓電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計變得輕松自如。這些IC芯片內(nèi)部已經(jīng)解決了大多數(shù)棘手問題，并對各種配置進(jìn)行了優(yōu)化，如MOSFET尺寸、驅(qū)動電路、電流感應(yīng)元件及限流、環(huán)路補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償及過熱保護(hù)等。開關(guān)頻率高達(dá)1MHz以上，因此可以使用小型電感和陶瓷電容，這些電感和電容是許多制造商的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。最后，對于大多數(shù)解決方案，Intersil還提供了評估電路板和推薦的PCB設(shè)計，供客戶參考。

集成化FET DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

圖1是一個完整的4A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路，采用ISL8014芯片。這種電路僅需極少的外部組件。圖2是ISL8014集成FET硅芯片的框圖。同一個芯片集成了眾多的特性和功能，從而使得電源設(shè)計變得非常輕松。

圖1：4A集成FET功率轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用示意圖。

1．內(nèi)置MOSFET

請注意圖2具有VIN管腳到LX管腳的高邊功率P溝道MOSFET，以及LX管腳到PGND管腳的低邊N溝道MOSFET，因此不需要再浪費時間去尋找合適的MOSFET。這些內(nèi)置MOSFET與驅(qū)動電路一起，在開關(guān)頻率、負(fù)載電流、輸入電壓、溫度范圍等方面可以滿足廣泛的應(yīng)用需求。

圖2：4A集成FET功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路框圖。

驅(qū)動電路的上升和下降時間約為3ns，在EMI噪聲和功耗之間達(dá)到了最佳平衡。非重疊時間、高邊和低邊MOSFET的開/關(guān)轉(zhuǎn)換時間(或稱死區(qū)時間)都得到很好控制，以免出現(xiàn)直通現(xiàn)象。在LX到PGND管腳之間，不需要另外使用肖特基二極管來提高效率。開關(guān)波形請見圖3a和圖3b。

圖3a：LX 開關(guān)波形(降壓)。[!--empirenews.page--]

圖3b：LX開關(guān)波形(升壓)。

2．?dāng)嗬m(xù)模式與連續(xù)模式

可供設(shè)計人員選擇的集成穩(wěn)壓器很多。對于不過分考慮成本的產(chǎn)品，Intersil提供一種標(biāo)準(zhǔn)的降壓穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在輕載時采用斷續(xù)模式(DCM)，并需要外接功率肖特基二極管。另一方面，還有很多不需要外接肖特基二極管的同步降壓穩(wěn)壓器，可以工作在連續(xù)模式(CCM)及/或DCM模式。

3．內(nèi)置與外接環(huán)路補(bǔ)償

Intersil提供的大多數(shù)低輸入電壓穩(wěn)壓器均具有內(nèi)部補(bǔ)償功能，設(shè)計人員不需要保證每種工作條件的穩(wěn)定性。所選擇的參數(shù)支持規(guī)格書中列出的大多數(shù)典型應(yīng)用。對于額定輸入電流范圍更寬或額定輸出電流較高的穩(wěn)壓器，則采用外部補(bǔ)償，以獲得更大的靈活性。產(chǎn)品規(guī)格書提供了清晰的說明和設(shè)計指南。

4．帶溫度補(bǔ)償?shù)倪^流保護(hù)

表1所列的Intersil集成穩(wěn)壓器具有過流保護(hù)功能。高端功率P溝道MOSFET的區(qū)域，對峰值電流進(jìn)行監(jiān)測。這可以防止外部噪聲，而外部噪聲可能需要增加額外的濾波器并延長保護(hù)響應(yīng)時間，對于沒有集成MOSFET的IC，情況常常如此。

如果吸入電流過大，比較器將翻轉(zhuǎn)，高端MOSFET被關(guān)斷。除很強(qiáng)的抗噪聲能力和過流保護(hù)功能外，穩(wěn)壓器具有的溫度補(bǔ)償功能也可以在整個允許的溫度范圍內(nèi)保持相對恒定的極限值。溫度每變化1?C，大多數(shù)MOSFET的Rds(on) 將改變0.5%。對于采用外接MOSFET的方案，特別是使用外接MOSFET感應(yīng)電流時，很難根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，除非增加額外的成本和/或電路的復(fù)雜程度。集成的穩(wěn)壓器可以根據(jù)MOSFET的變化方便地進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)。與外接電路相比，功率器件和控制部分之間的熱耦合更為緊密。帶溫度補(bǔ)償?shù)钠骷c不帶溫度補(bǔ)償器件的比較如圖4所示。

圖4：典型4A器件的輸出電流過載閥值。

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5．其他先進(jìn)的控制功能

Intersil的集成化FET DC/DC轉(zhuǎn)換器還具有先進(jìn)的控制功能，如表1所示。

采用集成化FET的設(shè)計實例

本設(shè)計實例以圖1中的ISL8014為例，假定所要求的輸入為Vin=5V，輸出為Vo=1.8V，輸出電壓紋波小于18mV。設(shè)計步驟如下：

(1)確定開關(guān)頻率Fs。正常的開關(guān)頻率為1MHz，也可以通過同步提高開關(guān)頻率，最高可達(dá)4MHz。為簡單起見，這里使用1MHz。

(2)計算電感L。ΔI是流過電感的峰峰紋波電流，建議將ΔI設(shè)置為最大輸出電流的30%左右。ISL8014的最大輸出電流為4A，因此ΔI=1.2A。

[!--empirenews.page--](3)確定輸出電容的等效串聯(lián)電阻阻值R_ESR。

(4)建議使用的最小輸出電容值為44μF。由于其R_ESR很低，陶瓷電容是一個不錯的選擇。每個采用0805封裝的22μF電容的R_ESR為5mΩ，因此可以選擇2×22μF。

(5)根據(jù)如下公式計算反饋電阻分壓器，其中V_FB為規(guī)格書規(guī)定的0.8V：

(6)輸入電容不太重要，C1可以定為2×22μF。

(7)接下來是PCB設(shè)計。請參考ISL8014的規(guī)格書，該規(guī)格書可從網(wǎng)址www.intersil.com下載。關(guān)鍵的PCB設(shè)計步驟包括：將IC插在電路板上；將電感器插在與IC的LX節(jié)點相鄰之處；將C2插在與電感器L另外一端及IC的PGND管腳相鄰之處；將C1插在IC的VIN管腳旁邊；將R3插在SGND和V_FB管腳旁邊；將R2和C3插在R3旁邊；在IC的電源焊盤之下打6個左右的過孔，以便散熱；打約4個過孔，以便將PGND分別與C1和C2連接；以PGND連線填充第二層。ISL8014的PCB設(shè)計圖見圖5。

圖5： PCB設(shè)計圖。

本文小結(jié)

Intersil的集成化FET穩(wěn)壓器擁有眾多的特性和功能選擇，使其更易于使用，在采用內(nèi)置環(huán)路補(bǔ)償時，情況尤其如此。本文列出了在低輸入電壓應(yīng)用中建議采用的輸出電感和電容，還討論了簡潔的設(shè)計步驟和版圖設(shè)計。通過這些簡單的步驟，大多數(shù)設(shè)計人員可以得到所需要的結(jié)果。對于采用外接補(bǔ)償?shù)募蒄ET，其規(guī)格書中幾乎都會附有具體而詳細(xì)的分析。

表1：Intersil的集成化FET DC/DC轉(zhuǎn)換器的特性。