标签: 同步降压转换器

大电流输出能力对小电机驱动等单节锂电池应用非常重要，本方案采用HT74153同步降压转换器，可在PWM/PFM自动切换模式下驱动高达2A的负载电流，并在空载条件时降低其待机电流。方案输入电压范围宽2.5~6.0V，输出电压范围0.6~VDD，100%占空比操作，切换频率达1.2MHz，能驱动低压直流电机及激光二极管等大电流负载的应用，适用于携带式产品如按摩器、玩具及激光投线仪等。 方案特点 方案采用高效率的同步降压转换器HT74153，可在2.5V~6.0V的宽输入电压范围内工作，并集成了100mΩ低导通电阻和整流开关，以降低传导损耗，同时允许在应用中使用较小的电感和电容。 在PFM迟滞模式下，HT74153通过在系统待机期间减少静态电流来延长电池寿命。在关机模式下，HT74153将关闭操作且只需消耗0.1μA的输入电流。 HT74153还可提供100%的占空比操作。当输入电源电压下降至目标输出电压时，High-Side MOSFET将始终开启且输出电压接近于输入电压，延长电池寿命。 HT74153可根据输出电流实现三种工作模式：PWM模式、PFM模式和关机模式。轻载时该芯片工作在PFM模式，可减少输入电流损耗并提高效率。在较重的负载电流时，可驱动该芯片自动进入PWM模式，以保持高效率和较好的瞬态响应。在关机模式下，HT74153将关断所有设备并将输入电流损耗降低至0.1μA。 当输入电源电压降低至目标输出电压时，占空比增加到100% 以延长电池寿命。减小穿过内部High-Side MOSFET和电感的电压降，输出电压会接近于输入电压。在此情况下，由于VOUT下降到95%，使PG信号被拉低。 在上电启动过程中，通过控制内部的软启动电容充电，可实现0.7ms的软启动功能，从而使输出电压平稳和防止输入浪涌电流过大。当VIN≥2.1V(VUVLO+)后，EN脚由低到高变化时软启动功能才有效。在软启动过程中，可忽略OSP检测。启动时间取决于启动时的输出电容和负载电流。 方案具有过流保护(OCP)、输出短路保护(OSP)、过压保护(OVP)、过热关机(OTP)功能： （1）欠压锁定保护(UVLO)。当输入电压超过VUVLO+ 时，转换器开始工作。相反，当输入电压低于VUVLO-时，转换器输出将关闭。 （2）过流保护(OCP)。HT74153提供3.2A(IOCP)峰值电流，用于监测内部High-Side开关(P型MOSFET)。当检测到OCP阈值时，内部High-Side开关关断，内部Low-Side开关(N型MOSFET)开启，直到下一个周期到来。IOCP可用于保护外部功率电感超过其饱和电流。当发生OCP保护功能时，输入峰值电流将受到限制且输出电压降低。 （3）输出短路保护(OSP)。当反馈电压下降至低于300mV时，该芯片将进入输出短路保护模式。在输出短路保护模式下，该芯片进入打嗝模式，此模式下将除能High/Low-Side MOSFET并使内部软启动电容放电。经过TOSP时间避免热积聚后，HT74153响应软启动程序，直到输出短路现象停止。 （4）过压保护(OVP)。当反馈电压VFB超过660mV(VFB_OVP)时，HT74153将进入过压保护。当进入过压保护功能时，High/Low-Side MOSFET将被除能。直到下一个周期的VFB低于VFB_OVP时，HT74153才退出过压保护且功率MOSFET开始工作。 （5）过热关机(OTP)。如果结温超过内部极限阈值TSHD，芯片将关闭所有功率MOSFET，直到温度下降至恢复温度THYS以下。 芯齐齐BOM分析 本方案基于HT74153同步降压转换器，允许在应用中使用较小的电感和电容，，内置肖特基二极管及1μH/2.2μH小型电感的优点可有效减少布局面积。 稳压IC HT74153来自Holtek，可在2.5V~6.0V的宽输入电压范围内工作。HT74153提供8-pin SOP-EP及5-pin SOT23两种封装。8-pin SOP-EP封装将系统电源及IC电源独立分开，用于系统电源噪声较大的产品，如带电机负载的按摩器及玩具等。对于有布局空间要求的携带式产品，可使用5-pin SOT23封装。 反馈电阻R1和内部补偿电容一起设置反馈环路带宽，方案增加47pF的电容将改善发生负载瞬态时的输出电压降。 PCB布线时，如果在应用环境中有外界干扰或PCB噪声过高，从而造成输出电压过高，可将FB引脚电阻设置为建议值表的1/10，并使用大接地面PCB板，以改善PCB噪声和提高长期可靠性。同时，C3、R1、R2应尽可能靠近芯片。其他PCB布线注意事项还有： 1. 输入/ 输出电容和电感应尽可能靠近IC电路。 2. 确保所有的反馈连接短而直。反馈电阻和补偿元件应尽可能靠近FB引脚，但不应靠近SW节点，以避免噪声干扰。 3. L1 应放置在尽可能靠近IC的地方，以减小来自切换节点的噪声。 4. 主电流通道采用短而宽的走线，以减少寄生电感和电阻。

电子产品设计日益轻薄，使得电源模块亦须提升切换频率以缩小体积。藉由傅里叶级数频域分析，研发人员将可掌握切换式降压转换器电源模块输出端涟波变化量，从而搭配最适合的电感和电容，使电路板尺寸与能源效率达到最佳设计。 电子3C产品功能愈来愈丰富且IC制程的进化趋向于低压大电流，使得芯片对电源的涟波及噪声(Ripple Noise)要求更为严谨。数字产品强调轻薄，相对地，电源模块为符合此要求势必提升切换频率以缩小外部零件体积。高频涟波与噪声对数字电路信号的影响势必严重，尤其是影音(Video/Audio)信号及差动对数据传输信号(Differential Pair Signal)。 基于此因素，本文将以傅里叶函数(Fourier Series Expansion)方式来探讨同步交换式降压转换器(Synchronous Step Down Converter)输出电压纹波的波形，并依电容完整等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)、电容值(Capacitance)对应的公式，经由理论推导，有效地分析电源模块输出端纹波成分。 同步降压交换式转换器电路分析 同步降压交换式电源转换器的应用电路如图1所示，系统工作原理是藉由交错式切换High Side (Q1)/Low Side (Q2)金属氧化物场效晶体管(MOSFET)(上、下桥晶体管)，将输入能量转换成输出端适当电压以提供到负载侧。系统关键性被动组件电感及输出电容组成的低通滤波器(Low Pass Filter)，用于传送与储存能量并滤除交流成分，让输出电压成为平顺的准直流需求。 图1　同步降压转换器应用电路 在常规技术的认知下，当切换频率愈快，即可得到较小的输出纹波，若以流经电感电流乘上输出电容的等效串联电阻来估算峰值纹波电压是可得到近似数据，但与实际的输出纹波波形有程度上的误差，因此必须考虑电容完整的等效电路特性，便可获得正确的解答。 在切换式降压转换器中，电感电流会对电容充电或放电，因此所有的纹波电流都会流经电容使得输出到负载的电压为稳定的直流电压Vo。然而，实际情形不是如 此，因为实际电容除了本身电容值外，还包含等效串联电阻与等效串联电感参数特性，让输出纹波电压(Ripple Voltage)ΔVo大于默认值，因此欲得到正确的输出纹波，则须将如图1所示完整的电容等效电路加以说明。 其中，Cap全称为Capacitance，意思是电容值，其为电容最主要的参数，应用于电路稳压，补偿或滤噪声之用，可用电容公式来表示其特性，亦即Q = C·V c 或 。 而ESR(Equivalent Series Resistance)为等效串联电阻，其为电容能量损耗及纹波的来源，可用欧姆定律来表示其特性，亦即 。 至于ESL(Equivalent Series Inductance)，表示等效串联电感，可用电感微分公式来表示其特性，公式为 。其感抗正比于频率，在低频时其感抗低，不易观测到其作用，但在频率较高时，其感抗增加，会降低电容稳压滤波的功能。另外要补充的是，I为IL A.C成分，也就是电感电流的交流成分。 一般而言，在稳态(Steady State)及负载固定时，输出电容的纹波电压主要是由电感的纹波电流造成，可先计算出电感的纹波电流，再利用欧姆定律，电感微分公式及电容电荷储存公式，分别计算出ESR、ESL及Capacitance的纹波电压。再将此三种纹波加总起来，便可得输出电容的纹波电压，如公式1所示： ......公式1 电感电流函数IL(t)可由公式2求得，其波形如图2所示。在Ton时(上桥MOSFET导通)，输入电源VCC供应能量到负载端且电感组件储存磁能(电感电流为线性递增)，依据法拉第定律(Faraday's Law)： ，将可得到导通周期(On-time Duty)电感电流斜率： 图2　(A)LX的波形；(B)电感电流的波形；(C)输出纹波波形 ......公式2 在Toff时(下桥MOSFET导通)，电感释放能量到负载(电感电流为线性递减)；其关断周期(Off-time Duty)电感电流斜率如公式3所示： ......公式3 【分页导航】 第1页： 同步降压交换式转换器电路分析 第2页： 应用傅里叶函数频域分析输出纹波波形 第3页： 应用傅里叶变换数值分析输出电压纹波 第4页： 应用时域分析输出纹波波形 应用傅里叶函数频域分析输出纹波波形 依傅里叶级数展开任意周期性函数可得到频率信号的幅度，也代表着信号在不同频率分量成分的大小。频域分析是以输入信号的频率为变量，并能够提供比时域 (Time Domain)信号波形更直观且包含频率、振幅和相位信息。相对的傅里叶变换(Fourier Transform)可将频域函数转换成时域的稳态输出纹波Vo。因此，傅里叶级数与傅里叶变换的优点是可让分析者依所提供的任意输入波形，容易得到输出纹波波形。 周期T傅里叶级数为： 傅里叶系数则是： a k 及b k 是共轭复数。 等效电感阻抗包含ZESR、ZESL、ZCo，计算方式如下所示： 而LX电压波形使用傅里叶级数展开，表示如下： 因此，ESR Ripple傅里叶级数展开如下所示： ESL Ripple傅里叶级数展开如下所示： Cap Ripple傅里叶级数展开如下所示： Vo Ripple傅里叶级数展开如下所示： 【分页导航】 第1页： 同步降压交换式转换器电路分析 第2页： 应用傅里叶函数频域分析输出纹波波形 第3页： 应用傅里叶变换数值分析输出电压纹波 第4页： 应用时域分析输出纹波波形 应用傅里叶变换数值分析输出电压纹波 在处理信号时，常藉由傅里叶变换来取得信号所对应的频谱，然后再由频谱来读取信号的参数。但由于所做的计算量过于庞大，当处理大量的数据时，则需要快速计 算的算法，因而衍生出快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)。快速傅里叶变换大幅提高了频谱的计算速度。 快速傅里叶变换的使用条件包括：信号必须是周期性的、取样周期必须为信号周期的整数倍、采样率(Sampling Rate)必须高于信号最高频率的两倍以上、取样点数N必须为2k个数据。 快速傅里叶变换原理的表示法，则如下所示： 举例来说，当切换频率(fsw)为1050kHz的降压电路，输入电压为Vin=3.3伏特(V)，Vo=1.8伏特，L=2.7微亨 (μH)，Co=10微法(μF)，ESR=4毫奥姆(mΩ)，ESL=1.1奈亨(nH)，fsw=280kHz。其实际量测的输出电压纹波、LX及电感纹波电流如图3所示。若给予任意输入波形，由傅里叶级数分析方法可得到对应的输出纹波，利用此方法提供一个快速有效的方式，可分析计算输入任意周期波的输出纹波。 图3 快速傅里叶变换模拟波形与实际量测波形 【分页导航】 第1页： 同步降压交换式转换器电路分析 第2页： 应用傅里叶函数频域分析输出纹波波形 第3页： 应用傅里叶变换数值分析输出电压纹波 第4页： 应用时域分析输出纹波波形 应用时域分析输出纹波波形 时域分析是以时间函数(Time Function)表示信号之特性，依据时间及振幅所组成之坐标平面来呈现出任何信号波形随时间变化的瞬间物理量。时域分析输出电压纹波说明如下： 选择适当电感/电容值让设计优化 本文提供了傅里叶级数频域分析，其特色就是无须求解复杂的微分公式并与时域分析相对应，充分验证理论推导及实际量测波形的对比。目的是想以较严谨的输出电容等效电路来分析交换式降压转换器输出纹波电压。 经由上述论证可得知，电容的等效串联电阻、等效串联电感及电容值等特性均会影响输出纹波振幅及相位，并利用基本的奥姆定律、电感的微分公式推导电感与电流纹波变化，及电容器依据操作频率充/放电荷以维持输出电位稳定。 将上述三种影响纹波因素波形(等效串联电阻、等效串联电感及电容值)线性迭加，便可得到完整的输出纹波波形。透过此方法，可使研发工程师在设计切换式降压转换器电源时，根据电源需求及纹波允许变化量规格来选择适当的电感和电容值，使其设计达到优化。 【分页导航】 第1页： 同步降压交换式转换器电路分析 第2页： 应用傅里叶函数频域分析输出纹波波形 第3页： 应用傅里叶变换数值分析输出电压纹波 第4页： 应用时域分析输出纹波波形