PM6680：筆記本系統(tǒng)電源的高效雙降壓控制器

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，一款性能卓越的控制器對(duì)于確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和高效性能至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下ST公司推出的PM6680雙降壓控制器，它專為筆記本電腦系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)，具備諸多出色的特性和功能。

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一、產(chǎn)品概述

PM6680是一款雙降壓控制器，主要用于為筆記本電腦提供邏輯電壓。它采用了無損電流檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的轉(zhuǎn)換效率。其恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)確保了快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，嵌入式電壓前饋則提供了近乎恒定的開關(guān)頻率操作。此外，該控制器還具備輸出電壓紋波補(bǔ)償功能，能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（一）產(chǎn)品特性

1. 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為6V至28V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 可調(diào)輸出電壓：OUT1和OUT2輸出電壓可分別在0.9V至5.5V和0.9V至3.3V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足不同負(fù)載的需求。
3. 5V恒壓輸出：提供5V恒壓輸出，可提供高達(dá)100mA的峰值電流。
4. 高精度參考電壓：具備1.237V ± 1%的參考電壓，為系統(tǒng)提供精確的電壓基準(zhǔn)。
5. 無損電流檢測(cè)：采用低側(cè)MOSFET的 (R_{DS(on)}) 進(jìn)行無損電流檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
6. 多種保護(hù)功能：具備軟啟動(dòng)、軟輸出放電、鎖存過壓保護(hù)（OVP）和欠壓保護(hù)（UVP）等功能，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
7. 輕載脈沖跳躍模式：可選擇脈沖跳躍模式，在輕載時(shí)提高系統(tǒng)效率，同時(shí)還能選擇最低33kHz的開關(guān)頻率，避免音頻噪聲問題。
8. 低靜態(tài)功耗：最大靜態(tài)功耗僅為4mW，降低了系統(tǒng)的功耗。
9. 獨(dú)立電源良好信號(hào)：提供獨(dú)立的電源良好信號(hào)，方便對(duì)系統(tǒng)電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

PM6680適用于多種設(shè)備，包括筆記本電腦、平板電腦和移動(dòng)系統(tǒng)電源等，尤其適用于3 - 4節(jié)鋰離子電池供電的設(shè)備。

二、電氣數(shù)據(jù)與特性

（一）最大額定值

該控制器的各項(xiàng)引腳電壓和功率等都有明確的最大額定值限制，例如V5SW、LDO5到PGND的電壓范圍為 -0.3V至6V，VIN到PGND的電壓范圍為 -0.3V至36V等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

（二）熱數(shù)據(jù)

熱阻 (R_{thJA}) 為35°C/W，存儲(chǔ)溫度范圍為 -50°C至150°C，結(jié)溫工作范圍為 -40°C至125°C，環(huán)境工作溫度范圍為 -40°C至85°C。了解這些熱數(shù)據(jù)對(duì)于合理設(shè)計(jì)散熱方案至關(guān)重要。

（三）電氣特性

在 (V{IN}=12V)，(T{A}=0^{circ}C) 至85°C的條件下，該控制器的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)出色。例如，輸入電壓范圍為5.5V至28V，IC電源電壓為4.5V至5.5V，軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間為2ms至3.5ms等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

三、引腳設(shè)置與功能

PM6680共有32個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，SGND1和SGND2為信號(hào)地，COMP1和COMP2用于直流電壓誤差補(bǔ)償，F(xiàn)SEL用于選擇開關(guān)頻率，EN1和EN2用于啟用開關(guān)部分等。通過合理設(shè)置這些引腳，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的精確控制。

四、典型工作特性

通過一系列的圖表，我們可以直觀地了解PM6680在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，1.5V和1.05V輸出效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，顯示了在不同負(fù)載下的效率變化情況；開關(guān)頻率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線，有助于我們選擇合適的開關(guān)頻率以滿足系統(tǒng)需求。

五、控制原理與工作模式

（一）恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制

當(dāng)SKIP引腳連接到5V時(shí)，設(shè)備工作在PWM模式。此時(shí)，每個(gè)功率部分都有獨(dú)立的導(dǎo)通時(shí)間控制，采用偽固定開關(guān)頻率的恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制器作為開關(guān)模式部分的核心。COT控制器基于相對(duì)簡(jiǎn)單的算法，利用輸出電容的ESR產(chǎn)生的紋波電壓來觸發(fā)固定導(dǎo)通時(shí)間的單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器，從而實(shí)現(xiàn)近乎恒定的開關(guān)頻率。

（二）脈沖跳躍模式

當(dāng)SKIP引腳連接到地時(shí)，設(shè)備工作在跳躍模式。在輕載時(shí)，零交叉比較器會(huì)在電感電流變?yōu)樨?fù)值時(shí)截?cái)嗟蛡?cè)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，使系統(tǒng)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式，從而降低輕載時(shí)的損耗，提高系統(tǒng)效率。

（三）無音頻跳躍模式

當(dāng)SKIP引腳連接到VREF時(shí)，啟用無音頻跳躍模式，最低開關(guān)頻率為33kHz。在輕載條件下，如果在30us（典型值）內(nèi)沒有新的開關(guān)周期，則開始無音頻跳躍模式周期，可有效減少脈沖跳躍模式在極輕負(fù)載時(shí)可能出現(xiàn)的音頻頻率噪聲，同時(shí)保持比PWM模式更高的效率。

六、保護(hù)功能

（一）電源良好信號(hào)

PM6680提供三個(gè)獨(dú)立的電源良好信號(hào)（PGOOD1/PGOOD2），用于監(jiān)測(cè)每個(gè)開關(guān)部分的輸出電壓。當(dāng)輸出電壓超出設(shè)計(jì)設(shè)定點(diǎn)的±10%，或者在軟啟動(dòng)、軟結(jié)束以及設(shè)備處于待機(jī)和關(guān)機(jī)模式時(shí)，這些信號(hào)會(huì)變?yōu)榈碗娖健?/p>

（二）熱保護(hù)

當(dāng)芯片溫度超過 +150°C時(shí)，會(huì)觸發(fā)熱保護(hù)，所有內(nèi)部電路將關(guān)閉，功率部分在放電模式后關(guān)閉。需要通過電源復(fù)位或SHDN引腳的切換來重新啟動(dòng)設(shè)備。

（三）過壓保護(hù)

當(dāng)開關(guān)輸出電壓約為其標(biāo)稱值的115%時(shí)，會(huì)觸發(fā)鎖存過壓保護(hù)。此時(shí)，同步整流器立即導(dǎo)通，高側(cè)MOSFET關(guān)閉，輸出電容迅速放電，保護(hù)負(fù)載不受損壞。

（四）欠壓保護(hù)

當(dāng)開關(guān)輸出電壓低于其標(biāo)稱值的70%時(shí)，會(huì)觸發(fā)鎖存欠壓保護(hù)。此時(shí)，開關(guān)部分立即禁用，兩個(gè)開關(guān)都打開，控制器進(jìn)入軟結(jié)束模式，最終通過導(dǎo)通低側(cè)MOSFET將輸出接地。

七、設(shè)計(jì)指南

（一）開關(guān)頻率選擇

可以通過FSEL引腳為兩個(gè)部分設(shè)置三種不同的工作頻率范圍。開關(guān)頻率主要影響電感尺寸和效率，較高的頻率允許使用較小的電感值，但會(huì)增加開關(guān)損耗，降低效率。因此，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行權(quán)衡。

（二）電感選擇

電感的選擇取決于所需的電感紋波電流和負(fù)載瞬態(tài)性能。一般來說，選擇電感值時(shí)應(yīng)使電感紋波電流 (Delta l{L}) 保持在最大輸出電流 (I{LOAD(max)}) 的20%至50%之間，同時(shí)要確保電感能夠提供大于最大RMS電感電流 (I_{LRMS}) 的RMS電流。

（三）輸出電容選擇

輸出電容的選擇主要基于ESR值 (R{out}) 和電壓額定值，而不是電容值 (C{out})。為了減少輸出電壓紋波，需要選擇低ESR的電容。同時(shí)，輸出電容的選擇還會(huì)對(duì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響。

（四）輸入電容選擇

輸入電容應(yīng)選擇RMS額定電流高于兩個(gè)開關(guān)部分最大RMS電流的電容。陶瓷電容通常具有較高的RMS電流額定值和較小的尺寸，是較好的選擇。

（五）功率MOSFET選擇

建議使用邏輯電平MOSFET，其擊穿電壓 (VBR {DSS}) 必須高于 (V{INmax})。在選擇功率MOSFET時(shí)，需要考慮其導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以提高電源管理效率。

（六）積分器環(huán)路設(shè)計(jì)

外部反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)取決于輸出電壓紋波。如果紋波較高，通常反饋網(wǎng)絡(luò)足以保持環(huán)路穩(wěn)定；如果紋波較小，則需要額外的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如虛擬ESR網(wǎng)絡(luò)。

八、設(shè)計(jì)示例

文檔中給出了一個(gè)設(shè)計(jì)示例，考慮輸入電壓為7V至16V，兩個(gè)開關(guān)輸出分別為 (OUT1 =1.5V) 和 (OUT2 =1.05V)，最大電流為5A，開關(guān)頻率分別約為290kHz和425kHz。通過詳細(xì)的計(jì)算和選擇，給出了電感、輸出電容、功率MOSFET、電流限制電阻、輸入電容、同步整流器、積分器環(huán)路和輸出反饋分壓器等元件的具體參數(shù)，為工程師提供了實(shí)際的設(shè)計(jì)參考。

九、總結(jié)

PM6680作為一款專為筆記本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的雙降壓控制器，具有高效、穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選擇和設(shè)計(jì)相關(guān)元件，能夠滿足不同筆記本電腦的電源需求。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合PM6680的特性和功能，進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用PM6680進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。