基于EL7558BC的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：對(duì)HSOP封裝的EL7558BC降壓型開(kāi)關(guān)整流器芯片的使用特點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出了利用該整流器芯片設(shè)計(jì)DC/DC變換器的外圍電路和設(shè)計(jì)方法。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；EL7558BC；開(kāi)關(guān)整流器

0??? 引言

??? EL7558BCDC/DC變換器芯片是Elantec公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成了MOSFETs的低輸入電壓（4.5～5.5V），高輸出電流（8A）的PWM整流器，效率可達(dá)94％。輸出電壓偏差小于1.5％。最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1MHz，可以設(shè)置成固定電壓輸出(3.5V)或者可調(diào)電壓輸出(1.0～3.8V)。EL7558BC具有盡可能減少外圍元器件的高度集成特點(diǎn)，只需少量外圍元器件即可工作，從而大大降低了電路板面積和設(shè)計(jì)成本，為電源設(shè)計(jì)提供了一種快速而簡(jiǎn)易的解決方案。EL7558BC同時(shí)具有過(guò)熱指示及過(guò)熱截止負(fù)載保護(hù)功能，用于邏輯/處理器復(fù)位及控制供電順序的電壓反饋PWRGD輸出信號(hào)等。其封裝形式為具有良好散熱性能的28腳HSOP封裝。這些優(yōu)點(diǎn)使得EL7558BC電源芯片可以廣泛應(yīng)用于高性能的DSPs/FPGAs/ASICs/微處理器，PC主板，便攜式電子儀器，手提電腦等許多電子設(shè)備中。

1??? 管腳功能和使用特點(diǎn)

??? EL7558BC封裝形式如圖1所示，各管腳功能如下：

??? 腳1（FB1）??? 電壓反饋輸入端1，當(dāng)芯片設(shè)置為可調(diào)電壓輸出時(shí)（VCC2DET為低）有效；

??? 腳2（CREF）??? 參考電壓旁路電容輸入端，一般用0.1μF瓷片電容與地連接；

??? 腳3（CSLOPE）??? 斜坡補(bǔ)償電容輸入端；

??? 腳4（COSC）??? 內(nèi)部振蕩器電容輸入端，電容C_SLOPE與C_OSC比例通常為1:1.5；

??? 腳5（VDD）??? PWM控制電路電源電壓輸入端，通常與VIN電壓相同；

??? 腳6及腳8（VIN）??? 降壓整流器電源電壓輸入端；

??? 腳7，腳9－12，腳18－19（VSSP）??? 降壓整流器返回地，即電源地；

??? 腳13（VCC2DET）??? 接口邏輯輸入端，邏輯1時(shí)芯片為3.5V固定電壓輸出，邏輯0時(shí)芯片為1.0～3.8V可調(diào)電壓輸出；

??? 腳14（OUTEN）??? 開(kāi)關(guān)整流器輸出使能端，邏輯1有效；

??? 腳15（OT）??? 芯片過(guò)熱指示輸出，通常為高，當(dāng)溫度超過(guò)135℃時(shí)拉低，溫度降至100℃以下時(shí)恢復(fù)變高；

??? 腳16（PWRGD）??? Power good輸出信號(hào)，當(dāng)輸出電壓的誤差小于預(yù)設(shè)值的±10％時(shí)為高，否則為低；

??? 腳17（TEST）??? 測(cè)試腳，通常必須與VSSP連接；

??? 腳20－23（LX）??? 電壓輸出端，驅(qū)動(dòng)外部的電感；

??? 腳24（VHI）??? 內(nèi)部高端門(mén)驅(qū)動(dòng)端，通過(guò)一個(gè)0.1μF的旁路電容與LX相連；

??? 腳25（VSS）??? 控制電路返回地，即信號(hào)地；

??? 腳26（C2V）??? 連接倍壓電路輸出，作為內(nèi)部低端門(mén)驅(qū)動(dòng)端；

??? 腳27（CP）??? 電荷泵電容的負(fù)邊驅(qū)動(dòng)端；

??? 腳28（FB2）??? 電壓反饋輸入端2，當(dāng)芯片設(shè)置為固定電壓輸出時(shí)（VCC2DET為低）有效，此時(shí)輸出電壓為3.5V。

??? EL7558BC DC/DC變換器芯片具有軟啟動(dòng)功能，而且不需要外部電容器，當(dāng)芯片加電時(shí)就會(huì)完成軟啟動(dòng)。EL7558BC具有VCC2DET功能，為Intel P54和P55微處理器提供了直接的接口。EL7558BC具有內(nèi)置的電荷泵倍壓電路，用于開(kāi)啟內(nèi)部MOSFET，C₅（見(jiàn)圖1）即為電荷泵電容，D₂及D₃為電荷泵二極管。如果有12V電壓輸入，則D₂及D₃均可省略。

2??? DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

??? 下面以EL7558BC DC/DC變換器芯片為例，對(duì)DC/DC變換器的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其典型設(shè)計(jì)電路如圖1所示。

圖 1??? EL7558BC DC/DC變 換 器 芯 片 的 封 裝 形 式 及 其 典 型 電 路

2.1??? 選擇輸出電壓

??? EL7558BC DC/DC變換器芯片可以通過(guò)VCC2DET腳設(shè)置固定電壓（3.5V）輸出或者可調(diào)電壓(1.0～3.8V)輸出。當(dāng)VCC2DET為高時(shí)為固定電壓輸出；當(dāng)VCC2DET為低時(shí)為可調(diào)電壓輸出，此時(shí)要想得到不同的電壓輸出，可以通過(guò)反饋電阻R₃及R₄來(lái)調(diào)節(jié)，可調(diào)輸出電壓范圍為1.0V至3.8V。R₃及R₄阻值與輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以近似地用式（1）表示，在這種模式下，VCC2DET管腳必須為低。

??? 輸出電壓??? V_o=1＋×1V??? （1）

2.2??? 選擇開(kāi)關(guān)頻率

??? 開(kāi)關(guān)頻率對(duì)EL7558BC芯片的轉(zhuǎn)換效率以及所需外接電感的大小都有很大的影響。頻率越低，效率越高，但是所需電感的值也越大。可以通過(guò)調(diào)節(jié)連接COSC腳的電容C₈來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，可調(diào)頻率最高可達(dá)1MHz，C₈電容值與開(kāi)關(guān)頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以近似地用式（2）表示。

??? 開(kāi)關(guān)頻率??? f_sw=（Hz）（2）

式中：C₈單位為法拉F。

??? 通過(guò)調(diào)節(jié)電容C₈來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，連接CSLOPE腳的斜坡補(bǔ)償電容C₇也要做相應(yīng)的調(diào)整，電容C₇與C₈比例通常為1:1.5。

2.3??? 選擇輸入濾波元件

??? EL7558BC芯片的輸入端通常需要一個(gè)去耦電容和一個(gè)大容量輸入電容。去耦電容C₁₂主要作用是降低芯片輸入端的高頻噪聲，一般采用1～10μF的瓷片電容，這個(gè)電容在布局時(shí)必須盡可能地靠近EL7558BC芯片以獲得最佳效果。大容量輸入電容C₉的主要作用是降低輸入紋波電壓，在某些應(yīng)用中一個(gè)10μF的去耦電容已經(jīng)足夠?yàn)V波而無(wú)須大容量輸入電容。至于是否需要大容量輸入電容，首先取決于允許的最大輸入紋波電壓。通常要使EL7558BC正常工作，輸入紋波電壓不可超過(guò)300mV?？捎檬剑?）計(jì)算只用10μF電容時(shí)，可能出現(xiàn)的最大輸入紋波電壓，如果計(jì)算得到的值超過(guò)允許值，就要用大容量輸入電容。

??????????? ΔV_IN=??? （3）

式中：ΔV_IN為沒(méi)有大容量電容時(shí)的輸入紋波電壓的最大峰峰值；

????? I_OUT（MAX）為最大的直流負(fù)載電流。

??? 大容量輸入電容的值越大越有利于降低紋波電壓，而其等效串聯(lián)電阻（ESR）越大卻會(huì)增加紋波電壓，所以，要選擇容量大且ESR低的電容。式（4）給出了大容量輸入電容與輸入紋波電壓的大致關(guān)系。如果紋波電壓還是太大，可以采用多個(gè)電容并聯(lián)的方法。另外大容量輸入電容的額定電壓和電流也要合適。

??????????? ΔV_IN′=＋I_OUT（MAX）ESR_MAX??? （4）

式中：ΔV_IN′為有大容量輸入電容時(shí)的輸入紋波電壓的最大峰峰值；

????? I_OUT（MAX）為最大的直流負(fù)載電流；

????? C_BULK為所采用的大容量輸入電容即C₉；

????? ESR_MAX為大容量輸入電容的最大ESR。

2.4??? 選擇輸出濾波元件

??? 輸出濾波元件的選擇是DC/DC變換器設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一環(huán)，輸出濾波元件決定了電源的穩(wěn)定性。重點(diǎn)是要選擇兩個(gè)元件，一個(gè)是輸出電感L₁，另一個(gè)是輸出電容C₁₀。影響電源穩(wěn)定性的最關(guān)鍵參數(shù)是輸出電容的ESR，電容的數(shù)據(jù)手冊(cè)一般都會(huì)給出電容的最大ESR，而最小ESR通常為最大ESR的40％～60％。此外，在選擇電容的時(shí)候，電容ESR的溫漂也要適當(dāng)考慮。

??? 輸出電感L₁具有存儲(chǔ)能量和濾去紋波兩大功能，電感的選擇主要是由輸入、輸出電壓，以及開(kāi)關(guān)頻率決定的。電感的額定電流必須大于最大輸出電流（8A），電感值的選取可以由式（5）計(jì)算得到。

??????? L_OUT=(V_IN(MAX)－V_OUT)??? （5）

式中：L_OUT為的輸出電感，即L₁；

????? V_IN（MAX）為最大的輸入電壓；

????? V_OUT為輸出電壓；

??????????? ΔI_L為允許的最大輸出電感紋波電流值，這個(gè)值通常必須小于0.8A。

??? 電容的選擇要從電容直流額定電壓，電容的額定紋波電流，電源的最大輸出紋波電壓，電源的穩(wěn)定性等四個(gè)因素去考慮。電容額定電壓必須大于輸出電壓，一般至少要比輸出電壓高出10％，以控制紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。最大的電容紋波電流（即電容RMS電流）可以用式（6）計(jì)算，所選電容的額定紋波電流必須大于式（6）的計(jì)算結(jié)果。

??? I_{C（RMS，MAX）}=（6）

式中：I_{C（RMS，MAX）}為最大的電容RMS電流。

??? 對(duì)于電源的最大輸出紋波電壓，首先，要確定具體應(yīng)用對(duì)輸出紋波電壓的要求，EL7558BC芯片輸出紋波電壓必須限制在輸出電壓的2％以?xún)?nèi)。接著，利用式（7）計(jì)算允許的電容最大ESR，選擇最大額定ESR小于式（7）計(jì)算值，以確保輸出紋波電壓符合應(yīng)用要求。另外，電容ESR的溫漂也必須考慮在內(nèi)。

??? ESR_MAX′=（7）

式中：ESR_MAX為允許的最大輸出電容ESR；

??????????? ΔV_（MAX）為允許的最大輸出紋波電壓值；

??????????? ΔI_L（MAX）為允許的最大輸出紋波電流值，這個(gè)值通常必須小于0.8A。

??? 可以通過(guò)多個(gè)電容并聯(lián)的方法來(lái)降低ESR，提高電路的瞬態(tài)響應(yīng)，不過(guò)總的ESR必須大于10mΩ，總的電容值必須大于330μF。

2.5??? 布局布線注意事項(xiàng)

??? 在布局布線時(shí)，原則是所有的外圍元器件要盡可能的靠近EL7558BC電源芯片，尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應(yīng)的管腳附近。EL7558BC器件有兩個(gè)地（模擬地和電源地），模擬地連接所有噪聲敏感信號(hào)，而電源地連接有噪聲的信號(hào)。兩個(gè)地之間引入噪聲將降低芯片的性能，尤其在大電流輸出的情況下。但是，模擬地的噪聲過(guò)大將會(huì)影響控制信號(hào)，所以，推薦把模擬地和電源地分開(kāi)，并且兩個(gè)地在一點(diǎn)（通常在芯片下面或者在輸入或輸出電容的負(fù)邊）直接連接以降低兩個(gè)地之間的噪聲。連接反饋腳（腳1和腳28）的走線對(duì)噪聲最為敏感，要盡可能地短，最好布在兩個(gè)地線中間。

??? EL7558BC芯片的散熱主要靠VSSP引腳以及芯片底部的散熱焊盤(pán)。為了達(dá)到良好的散熱性能，散熱焊盤(pán)必須完全焊接在PCB上，如果有中間的地層時(shí)，必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔把地層與散熱焊盤(pán)相連以提高散熱效果。

3??? 結(jié)語(yǔ)

??? 我們采用以上方法，用兩塊EL7558BC芯片設(shè)計(jì)了基于FPGA的MPEG?4解碼器芯片設(shè)計(jì)演示開(kāi)發(fā)板的電源（輸入4.5～5.5V，輸出3.3～1.5V）。其中3.3V輸出的設(shè)計(jì)電路如圖1所示，各項(xiàng)指標(biāo)如下：

??? 1）輸出電壓校準(zhǔn)在輸入電壓從4.5V到5.5V及負(fù)載電流從0到8.0A的范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓變化不超過(guò)1.0％；

??? 2）負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)負(fù)載電流在15μs內(nèi)從0A到8A或從8A到0A突變，輸出電壓瞬時(shí)波動(dòng)不超過(guò)120mV，波動(dòng)時(shí)間不超過(guò)25μs；

??? 3）輸出電壓紋波在輸入電壓為4.5～5.5V時(shí)，輸出電壓紋波峰峰值低于22mV。

??? 4）輸入電壓紋波在負(fù)載為8A，輸入電壓為4.5～5.5V時(shí)，輸入電壓紋波峰峰值大約為230mV，增大輸入電容值，將C₉從220μF換成470μF，輸入電壓紋波峰峰值降到180mV左右。

??? 基于EL7558BC的 DC/DC模塊設(shè)計(jì)體現(xiàn)了新型的快速，簡(jiǎn)易的電源解決方案，其設(shè)計(jì)方法在目前的DC/DC變換器設(shè)計(jì)中是非常典型的，具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。