ADP1850：高性能DC - DC同步降壓控制器的深度解析

引言

在電子設計領域，DC - DC轉(zhuǎn)換器是電源管理的核心組件。ADP1850作為一款由Analog Devices推出的可配置雙輸出或兩相單輸出DC - DC同步降壓控制器，以其卓越的性能和廣泛的應用范圍，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析ADP1850的特性、工作原理、應用設計等方面，為電子工程師在實際設計中提供全面的參考。

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產(chǎn)品特性亮點

寬范圍輸入與輸出

ADP1850具有2.75 V至20 V的寬輸入電壓范圍，功率級輸入電壓范圍為1 V至20 V，輸出電壓范圍從0.6 V到最高90% (V_{IN}) ，每通道輸出電流可超過25 A。這種寬范圍的輸入輸出特性，使其能夠適應各種不同的電源環(huán)境和負載需求。

精準電流共享與頻率可編程

該控制器實現(xiàn)了通道間（交錯）的精確電流共享，確保各通道負載均衡。同時，可編程頻率范圍為200 kHz至1.5 MHz，工程師可以根據(jù)具體應用場景靈活調(diào)整開關頻率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

集成與保護功能

ADP1850集成了升壓二極管，減少了外部元件數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本和復雜度。此外，它還具備多種保護功能，如過壓、過流限制保護、熱過載保護、輸入欠壓鎖定（UVLO）等，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

節(jié)能與精確控制

在輕負載情況下，ADP1850可進入節(jié)能模式（PSM），通過跳過脈沖和減少開關損耗來提高能源效率。同時，它具有精確的電源良好指示、電壓跟蹤能力和獨立通道精確使能功能，為系統(tǒng)提供了精確的控制和監(jiān)測。

工作原理剖析

控制架構

ADP1850基于固定頻率、電流模式的PWM控制架構。在開關周期的關斷期間，通過測量外部低端MOSFET (R_{DSON}) 上的電壓降來感測電感電流（谷值電感電流）。電流感測信號經(jīng)電流感測放大器處理后，輸出被保持，模擬電流斜坡被復用并輸入到PWM比較器中。

振蕩器頻率設置

內(nèi)部振蕩器頻率范圍為200 kHz至1.5 MHz，可通過外部電阻 (R{FREQ}) 在FREQ引腳進行設置。一些常見的 (f{sw}) 值可通過特定電阻實現(xiàn)，如78.7 kΩ電阻可將振蕩器頻率設置為800 kHz。對于未列出的頻率，可通過經(jīng)驗公式 (R{FREQ}(kΩ)=96,568 × f{SW}(kHz)^{-1.065}) 計算 (R_{FREQ}) 的值。

工作模式

• 脈沖跳過模式（PSM）：當SYNC引腳接地或浮空時，ADP1850進入脈沖跳過模式。在輕負載時，控制器可跳過PWM脈沖，降低開關頻率，維持高效率。
• 強制PWM模式：當SYNC引腳連接到VCCO或高邏輯電平時，ADP1850進入強制PWM模式。在該模式下，控制器在任何負載下都以連續(xù)導通模式（CCM）運行。

同步功能

ADP1850的開關頻率可通過將SYNC引腳連接到時鐘信號與外部時鐘同步。外部時鐘頻率應在內(nèi)部振蕩器頻率 (f_{sw}) 的1倍至2.3倍之間，同步后的開關頻率為外部SYNC頻率的一半。

應用設計要點

輸出電壓設置

通過從輸出到FB的電阻分壓器設置輸出電壓，將輸出電壓分壓至0.6 V的FB調(diào)節(jié)電壓，從而設置調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓最低可設置為0.6 V，最高可達電源輸入電壓的90%。

軟啟動設計

軟啟動周期由SS1/SS2與AGND之間的外部電容設置。當EN1/EN2使能時，6.5 μA的電流源開始對電容充電，當SS1/SS2電壓達到0.6 V時，達到調(diào)節(jié)電壓。軟啟動功能可限制輸入浪涌電流，防止輸出過沖。

電流限制設置

電流限制通過ILIMx與SWx之間的外部電流限制電阻 (R{ILIM}) 設置。電流感測引腳ILIMx向該外部電阻提供標稱50 μA的電流，當?shù)投薓OSFET (R{DSON}) 上的壓降等于或大于該偏移電壓時，ADP1850觸發(fā)電流限制事件。

斜率補償與電流感測增益設置

• 斜率補償：在電流模式控制拓撲中，斜率補償用于防止電感電流的次諧波振蕩，維持穩(wěn)定輸出。通過在RAMPx與輸入電壓之間連接電阻 (R_{RAMP}) 實現(xiàn)外部斜率補償。
• 電流感測增益：外部低端MOSFET上的電壓降由電流感測放大器感測，通過連接到DLx引腳的外部電阻 (R_{CSG}) 可將增益設置為3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。

元件選擇

• 輸入電容：輸入電容需具有足夠的紋波電流額定值和低ESR，以處理輸入紋波和減輕輸入電壓紋波。通常使用兩個并聯(lián)電容，一個大容量電容和一個10 μF陶瓷去耦電容。
• 電感：選擇電感值使電感紋波電流在最大直流輸出負載電流的20%至40%之間，同時確保電感的飽和電流遠高于特定設計的峰值電感電流。
• 輸出電容：選擇輸出電容以設置所需的輸出電壓紋波，考慮電容的ESR、ESL和紋波電流額定值。在負載階躍瞬變時，輸出電容需滿足電壓下垂和過沖要求。
• MOSFET：選擇低導通電阻和低柵極電荷的MOSFET，以降低I2R損耗和過渡損耗。同時，MOSFET應具有低熱阻，確保功率耗散不會導致過高的芯片溫度。

環(huán)路補償

在單相操作中，通過在COMPx與AGND之間連接RC補償器來穩(wěn)定外部電壓環(huán)路。在雙相操作中，誤差放大器的 (G{m}) 、調(diào)制器增益和有效 (f{sw}) 均加倍，但計算環(huán)路補償組件的方程與單相操作相同。

電壓跟蹤

ADP1850具有電壓跟蹤功能，可跟蹤主電壓。有重合跟蹤和比例跟蹤兩種配置，可確保在為單個集成電路提供不同電源電壓時，避免因不當?shù)碾娫磁判蚨鴵p壞負載IC。

獨立功率級輸入電壓

除了單電源配置外，DC - DC轉(zhuǎn)換器的功率級輸入電壓可來自不同的電壓源，范圍為1 V至20 V。但需確保在該操作條件下不違反最小或最大占空比。

PCB布局指南

關鍵路徑布局

• MOSFET、輸入大容量電容和旁路電容：確保FET的電流路徑盡可能短，旁路電容靠近FET放置，以最小化環(huán)路電感。
• 高電流和電流感測路徑：采用Kelvin感測連接，確保準確的電流感測。
• 信號路徑：將VIN旁路、補償組件、軟啟動電容和輸出反饋分壓器電阻的負端連接到小AGND平面，避免高電流或高dI/dt信號連接到該平面。
• PGND平面：PGNDx引腳連接到低側(cè)MOSFET的源極，通過寬而直接的路徑連接PGND平面和VDL旁路電容。
• 反饋和電流限制感測路徑：避免FBx和ILIMx引腳的長走線或大銅面積，將串聯(lián)電阻和電容靠近這些引腳放置。
• 開關節(jié)點：開關節(jié)點應寬以最小化電阻壓降，總面積應小以減少電容耦合噪聲。
• 柵極驅(qū)動器路徑：柵極驅(qū)動走線應盡可能短而直接，必要時可使用兩個較大的過孔并聯(lián)?？稍贒Hx和DLx引腳放置小阻值電阻以減少噪聲和振鈴。
• 輸出電容：將輸出濾波電容的負端靠近低側(cè)FET的源極連接，以最小化AGND和PGNDx之間的電壓差。

總結

ADP1850作為一款高性能的DC - DC同步降壓控制器，憑借其豐富的特性、靈活的工作模式和全面的保護功能，為電子工程師在電源設計中提供了強大的支持。在實際應用中，工程師需根據(jù)具體需求合理選擇元件、優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮ADP1850的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源解決方案。你在使用ADP1850進行設計時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。