基于HIP6004E的降壓型DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

1    引言

    HIP6004E是降壓型同步整流PWM控制器和輸出電壓監(jiān)控器，它在一個(gè)很小的封裝（SOIC-20或TSSOP-20）內(nèi)集成了PWM控制，輸出電壓調(diào)節(jié)，電壓監(jiān)視和過壓、過流保護(hù)等功能，可在DC 1.050～1.825V范圍內(nèi)，以25mV的增量精確調(diào)節(jié)輸出電壓。另外，它還具有軟啟動(dòng)，工作頻率寬范圍可調(diào)，遙控開關(guān)機(jī)，快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，輸出功率大，電壓穩(wěn)定度好等特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使HIP6004E可以廣泛應(yīng)用于高性能微處理器供電（如Pentium Ⅲ和其它微處理器）和高功率DC/DC變換器及低電壓分布式供電系統(tǒng)中。

2    HIP6004E引腳功能和工作原理

2.1    引腳功能

    HIP6004E引腳排列如圖1所示。

圖1    引腳排列

    各引腳功能如下：

    腳1（VSEN）    電壓檢測腳，連接到變換器的輸出電壓端，PGOOD和OVP信號，利用該信號來檢測輸出電壓的狀態(tài)和進(jìn)行過壓保護(hù)；

    腳2（OCSET）    過流設(shè)定腳，用來設(shè)定過流保護(hù)值；

    腳3（SS）    soft start，從該腳連接一個(gè)電容到地，設(shè)定變換器的軟啟動(dòng)間隔時(shí)間，也可用來作為變換器的使能端，開啟/關(guān)閉變換器；

    腳4－腳8（VID25mV，VID0－VID3）    5位DAC的輸入腳，通過這5個(gè)腳可對內(nèi)部電壓參考（DACOUT）進(jìn)行編程，而DACOUT的輸出用來設(shè)定變換器的輸出電壓，同時(shí)也用來設(shè)定PGOOD和OVP的門檻電壓；

    腳9（COMP）    內(nèi)部誤差放大器的輸出，用來補(bǔ)償變換器的電壓反饋信號；

    腳10（FB）    內(nèi)部誤差放大器的反相輸入，用來補(bǔ)償變換器的電壓反饋信號；

    腳11（GND）    信號地；

    腳12（PGOOD）    電源好信號，OC門輸出，用來指示變換器輸出電壓的狀態(tài)；當(dāng)輸出電壓超出DACOUT參考電壓的±10％范圍時(shí)，該信號變低，說明電壓不正常；

    腳13（PHASE）    將其連到上端MOSFET的源極，用來監(jiān)視MOSFET的電壓降，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，同時(shí)，它也是上端MOSFET門極驅(qū)動(dòng)的返回路徑；

    腳14（UGATE）    將其連到上端MOSFET的門極，提供門極驅(qū)動(dòng)信號；

    腳15（BOOT）    提供上端MOSFET的偏置電壓；

    腳16（PGND）    功率地，將下端MOSFET的源極接該腳；

    腳17（LGATE）    將其連到下端MOSFET的門極，提供門極驅(qū)動(dòng)信號；

    腳18（VCC）    芯片工作電壓輸入；

    腳19（OVP）    過壓輸出信號；

    腳20（RT）    用來設(shè)置振蕩器的開關(guān)頻率。

2.2    工作原理

    HIP6004E內(nèi)部框圖如圖2所示。它由數(shù)模轉(zhuǎn)換器，電壓參考，誤差放大器，振蕩器，PWM比較器，軟啟動(dòng)電路，過壓、過流保護(hù)電路，門極控制邏輯電路，上電復(fù)位電路等部分組成。

圖2    HIP6004E內(nèi)部框圖

    上電后，HIP6004E自動(dòng)進(jìn)行初始化，無需特殊的加電順序。POWER-ON（POR）實(shí)時(shí)監(jiān)測芯片工作電壓（V_cc）和變換器的輸入電壓（V_in），當(dāng)兩種電壓都超過設(shè)定門檻值時(shí)，開始進(jìn)行軟啟動(dòng)過程。芯片內(nèi)部的10μA電流源對接在腳3（SS）的軟啟動(dòng)電容進(jìn)行充電，腳3電壓緩慢上升，并將誤差放大器的輸出電壓（COMP）和參考電壓（同相端輸入）都鉗位為腳3電壓。當(dāng)腳3電壓上升到一定幅度時(shí)，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PHASE脈沖對輸出電容進(jìn)行充電。當(dāng)輸出電壓達(dá)到一定幅值后，參考電壓開始控制輸出電壓。當(dāng)腳3電壓超過DACOUT電壓后，輸出電壓進(jìn)入調(diào)節(jié)過程。這種軟啟動(dòng)方法使輸出電壓快速地，可控地上升。軟啟動(dòng)過程結(jié)束后，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生PWM波使上下端兩個(gè)MOSFET交替導(dǎo)通，并通過電壓反饋電路來維持輸出電壓的穩(wěn)定。

3    DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

    基于HIP6004E的典型DC/DC變換器電路如圖3所示，以下詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過程。

圖3    典型DC/DC變換器電路 [!--empirenews.page--]3.1    開關(guān)頻率設(shè)置

    HIP6004E的開關(guān)頻率在50kHz～1MHz內(nèi)可調(diào)節(jié)，自由振蕩頻率為200kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率主要是考慮，高開關(guān)頻率可以使用較小容量的輸出濾波電感和電容。

    當(dāng)腳20（RT）對地接一個(gè)電阻時(shí)，開關(guān)頻率將增大，開關(guān)頻率由式（1）決定。

    f_s=200kHz＋    （1）

    當(dāng)腳20對腳18（VCC）接一個(gè)電阻時(shí)，開關(guān)頻率將減小，開關(guān)頻率由式（2）決定。

    f_s=200kHz－    （2）

3.2    輸出電壓編程

    HIP6004E變換器的輸出電壓可在DC1.050～1.825V范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，變化幅度每檔為25mV。通過5個(gè)VID管腳對內(nèi)部的DAC進(jìn)行編程，可對輸出電壓進(jìn)行精確的控制。編程表如表1所示。當(dāng)管腳與地相連時(shí)編碼為0；通過上拉電阻與VCC相連或懸空時(shí)編碼為1。也可接受5位TTL電平信號進(jìn)行編程。

表1    輸出電壓編程表

3.3    元器件的選擇和參數(shù)計(jì)算

3.3.1    輸出電容

    輸出電容用來對輸出進(jìn)行濾波并提供負(fù)載瞬時(shí)電流?，F(xiàn)代微處理器經(jīng)常產(chǎn)生超過1A/ns的瞬態(tài)電流上升率，為了防止負(fù)載急劇變化時(shí)產(chǎn)生過大的上沖和下沖電壓，在輸出端經(jīng)常需要并聯(lián)大容量的濾波電容。實(shí)際上，濾波電容并不是容量越大越有作用，更主要的是取決于ESR（等效串聯(lián)阻抗）的大小。ESR值越小，濾波效果越好，所以，必須選用低ESR值的鋁電解電容或鉭電容。在大多數(shù)應(yīng)用場合中，多個(gè)小容量的電容并聯(lián)比單個(gè)大容量的電容濾波效果要好。

3.3.2    輸出電感

    輸出電感的功能是滿足輸出電壓紋波要求。電感的大小決定了紋波電流，而紋波電壓又取決于紋波電流。紋波電流和紋波電壓可近似由式（3），式（4）表示。

    紋波電流ΔI=×    （3）

    紋波電壓ΔV_out=ΔI×ESR    （4） [!--empirenews.page--]

    從式（3）—（4）可看出，增大電感，將減小紋波電流和紋波電壓；反之，則增大紋波電流和紋波電壓。為了獲得相同的紋波電壓，增大電感，可以減少輸出電容的數(shù)量。但是，增大電感后將降低對負(fù)載瞬態(tài)電流的響應(yīng)，所以，輸出電感和輸出電容的選擇是相輔相成的，需在兩者之間取一個(gè)折衷值，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)輸出電壓紋波要求和動(dòng)態(tài)性能要求來確定電感和電容值。

3.3.3    MOSFET

    HIP6004E變換器需要兩個(gè)N溝道的MOSFET。MOSFET的選擇由R_DS（on），門極驅(qū)動(dòng)電壓，輸出電流，散熱條件等因素確定。在大電流應(yīng)用中，MOSFET的耗散功率，封裝形式和散熱器是主要考慮的目標(biāo)。根據(jù)耗散功率，熱阻等可計(jì)算出MOSFET的工作溫升，要確保在最高環(huán)境溫度工作時(shí)，MOSFET不超過最大允許的結(jié)溫。

    兩個(gè)MOSFET的耗散功率分別由式（5）和式（6）確定。

    P_上=I_o²×R_DS(on)×D＋×I_o×V_in×t_sw×f_s    （5）

    P_下=I_o²×R_DS(on)×(1－D)    （6）

式中：D=V_out/V_in（工作周期）；

      t_sw為導(dǎo)通時(shí)間；

      f_s為開關(guān)頻率。

    一般選擇耐壓為30V的MOSFET，電流根據(jù)負(fù)載要求而定，推薦使用IR或Intersil生產(chǎn)的MOSFET。

3.3.4    二極管

    二極管的作用是鉗位，即在下端MOSFET已關(guān)斷，上端MOSFET還未導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)電壓。必須選用快速的肖特基二極管以防止MOSFET本身的體二極管的導(dǎo)通，如果直接利用MOSFET本身的體二極管來鉗位負(fù)電壓，則變換器效率將降低1～2個(gè)百分點(diǎn)。推薦使用3A，40V的肖特基二極管如Motorola的MBR340。

3.4    電壓反饋補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

    電壓反饋補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)變換器設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，其參數(shù)的設(shè)置直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。電壓反饋補(bǔ)償電路如圖4所示。

圖4    電壓反饋補(bǔ)償電路

    反饋補(bǔ)償電路由內(nèi)部誤差放大器，Z_IN阻抗網(wǎng)絡(luò)，Z_FB阻抗網(wǎng)絡(luò)組成。

    以下詳細(xì)介紹電阻，電容參數(shù)的計(jì)算方法。

    1）選擇R₁的阻值，通常在2kΩ到5kΩ之間，一般定為3.3kΩ。

    2）計(jì)算R₂的阻值

    R₂=××R₁    （7）

式中：DBW是希望的帶寬，一般為變換器開關(guān)頻率的20％～30％；

            ΔV_OSC為HIP6004E的斜坡幅值（1.9V）；

      V_in為輸入電壓；

      f_LC=，L_o為輸出濾波電感值，C_o為輸出濾波電容值。

    3）計(jì)算C₂的值

    C₂=    （8） [!--empirenews.page--]

    4）計(jì)算C₁的值

    C₁=    （9）

式中：f_ESR=，ESR為輸出電容的等效串聯(lián)阻抗值，C_o為輸出濾波電容值。

    5）計(jì)算R₃的值

    R₃=    （10）

式中：f_SW是變換器開關(guān)頻率值。

    6）計(jì)算C₃的值

    C₃=    （11）

3.5    遙控開關(guān)機(jī)電路設(shè)計(jì)

    將腳3（SS）電壓拉低到1.2V以下即可關(guān)閉HIP6004E?？梢酝ㄟ^圖5所示的簡單方法實(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)機(jī)功能，當(dāng)ENABLE信號開路時(shí)開機(jī)；當(dāng)ENABLE信號接地時(shí)關(guān)機(jī)。

圖5    遙控開關(guān)機(jī)電路

3.6    過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    HIP6004E提供了一個(gè)過壓輸出信號OVP（腳19），當(dāng)輸出電壓超過設(shè)定電壓的15％時(shí)，該腳變?yōu)楦唠娖剑捎脕眚?qū)動(dòng)一個(gè)外部晶閘管，將輸入電壓強(qiáng)行短路，以關(guān)閉輸出電壓實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。具體如圖6所示。

圖6    過壓保護(hù)電路

4    結(jié)語

    基于HIP6004E的降壓型DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，輸出電壓可精確調(diào)節(jié)，保護(hù)功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足一些高性能微處理器的供電要求。