MCP1640/B/C/D：高效同步升壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，一款性能出色的升壓調(diào)節(jié)器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下Microchip公司的MCP1640/B/C/D系列0.65V啟動(dòng)同步升壓調(diào)節(jié)器，看看它在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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一、產(chǎn)品概述

MCP1640/B/C/D是一款緊湊、高效、固定頻率的同步升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，專為單節(jié)、雙節(jié)或三節(jié)堿性、NiCd、NiMH以及單節(jié)Li - Ion或Li - Polymer電池供電的應(yīng)用提供了便捷的電源解決方案。它具有低啟動(dòng)電壓、高轉(zhuǎn)換效率、多種工作模式等特點(diǎn)，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

二、產(chǎn)品特性

2.1 高性能指標(biāo)

• 高轉(zhuǎn)換效率：典型效率高達(dá)96%，能有效減少能量損耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 低啟動(dòng)電壓：僅需0.65V即可啟動(dòng)，在電池電量較低時(shí)也能正常工作，適應(yīng)多種電池供電場(chǎng)景。
• 寬輸出電壓范圍：輸出電壓可在2.0V至5.5V之間調(diào)節(jié)，滿足不同負(fù)載的電壓需求。
• 低靜態(tài)電流：典型PFM模式下靜態(tài)電流僅19μA，在輕載或待機(jī)狀態(tài)下能降低功耗。

2.2 多種工作模式

• PWM/PFM自動(dòng)切換（MCP1640/C）：在輕載時(shí)自動(dòng)切換到PFM模式，以提高效率；重載時(shí)則采用PWM模式，保證輸出穩(wěn)定。
• PWM - 僅模式（MCP1640B/D）：在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)僅以PWM模式工作，輸出紋波電壓較低。

2.3 保護(hù)功能

• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過(guò)150°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉芯片，防止過(guò)熱損壞。
• 短路保護(hù)：允許輸出短路，內(nèi)部電流限制和過(guò)溫保護(hù)能在短路、過(guò)流和過(guò)溫時(shí)保護(hù)芯片。
• 低噪聲抗振鈴控制：有效抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振蕩，減少高頻輻射噪聲。

2.4 其他特性

• AEC - Q100認(rèn)證：符合汽車級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，可用于汽車電子應(yīng)用。
• 內(nèi)部同步整流和補(bǔ)償：集成了低電阻N - 通道升壓開(kāi)關(guān)和同步P - 通道開(kāi)關(guān)，以及內(nèi)部補(bǔ)償電路，減少外部元件數(shù)量。
• 可選的關(guān)斷狀態(tài)：提供“真負(fù)載斷開(kāi)”和“輸入 - 輸出旁路”兩種模式，滿足不同應(yīng)用需求。

三、電氣特性

3.1 絕對(duì)最大額定值

• 電壓范圍：EN、VFB、VIN、VSW、VOUT - GND最大為 + 6.5V。
• 輸出短路電流：可連續(xù)承受。
• 工作溫度范圍：存儲(chǔ)溫度為 - 65°C至 + 150°C，工作結(jié)溫為 - 40°C至 + 125°C。

3.2 DC特性

• 啟動(dòng)電壓：典型啟動(dòng)電壓為0.65V，啟動(dòng)后最小輸入電壓為0.35V。
• 輸出電壓精度：在一定輸入電壓和負(fù)載條件下，輸出電壓精度可達(dá) ± 3%。
• 開(kāi)關(guān)頻率：典型開(kāi)關(guān)頻率為500kHz。

四、引腳說(shuō)明

4.1 反饋電壓引腳（VFB）

用于通過(guò)電阻分壓器提供輸出電壓調(diào)節(jié)，反饋電壓典型值為1.21V。

4.2 信號(hào)地引腳（SGND）

作為集成VREF和誤差放大器的返回端，在2x3 DFN封裝中與功率地（PGND）外部連接。

4.3 功率地引腳（PGND）

作為高電流N - 通道開(kāi)關(guān)的返回端，同樣在2x3 DFN封裝中與SGND外部連接。

4.4 使能引腳（EN）

邏輯電平輸入，用于控制芯片的開(kāi)關(guān)和降低關(guān)斷時(shí)的靜態(tài)電流。邏輯高（> 90%的VIN）使能調(diào)節(jié)器輸出，邏輯低（< 20%的VIN）禁用調(diào)節(jié)器。

4.5 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳（SW）

連接電感，承載電感電流，峰值電流可達(dá)800mA。

4.6 輸出電壓功率引腳（VOUTP）

將輸出電壓連接到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，高電流通過(guò)集成P - 通道開(kāi)關(guān)流出到輸出電容和負(fù)載。

4.7 輸出電壓檢測(cè)引腳（VOUTS）

將調(diào)節(jié)后的輸出電壓連接到內(nèi)部偏置電路，在2x3 DFN封裝中與VOUTP外部連接。

4.8 電源輸入電壓引腳（VIN）

連接輸入電壓源，輸入源應(yīng)通過(guò)至少4.7μF的電容接地進(jìn)行去耦。

4.9 外露散熱焊盤（EP）

與SGND和PGND無(wú)內(nèi)部電氣連接，需在PCB上連接到相同電位。

4.10 接地引腳（GND）

用于電路接地連接，輸入電容返回端、輸出電容返回端和GND引腳的走線應(yīng)盡可能短，以減少噪聲。

4.11 輸出電壓引腳（VOUT）

連接集成P - 通道MOSFET到輸出電容，反饋電阻分壓器也連接到該引腳進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

五、詳細(xì)功能描述

5.1 低壓?jiǎn)?dòng)

MCP1640/B/C/D能夠從低輸入電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)內(nèi)部啟動(dòng)邏輯會(huì)先打開(kāi)整流P - 通道開(kāi)關(guān)，為輸出電容充電。當(dāng)輸入電壓低于1.6V時(shí)，芯片以固定占空比70%開(kāi)環(huán)運(yùn)行，直到輸出達(dá)到1.6V后進(jìn)入正常閉環(huán)PWM運(yùn)行。

5.2 PWM - 僅模式操作

在正常PWM操作中，芯片作為固定頻率的同步升壓轉(zhuǎn)換器工作，開(kāi)關(guān)頻率典型為500kHz。MCP1640B/D在輕載時(shí)也僅以PWM模式工作，輸出紋波低且頻率恒定，但輕載效率相對(duì)PFM模式較低。

5.3 PFM模式操作

MCP1640/C能夠在PWM和PFM模式之間切換，以在所有負(fù)載下保持高效率。在PFM模式下，輸出紋波具有隨輸入電壓和輸出電流變化的可變頻率成分，輕載時(shí)靜態(tài)電流低。

5.4 可調(diào)輸出電壓

通過(guò)電阻分壓器可在2.0V至5.5V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，使用高阻值電阻可降低靜態(tài)電流，但需注意環(huán)境因素對(duì)電阻分壓比的影響。

5.5 使能引腳控制

使能引腳用于控制升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)啟和關(guān)閉，使能閾值電壓隨輸入電壓變化。

5.6 內(nèi)部偏置

芯片啟動(dòng)時(shí)從VIN獲取偏置，輸出超過(guò)輸入后，偏置來(lái)自輸出，啟動(dòng)后工作與VIN無(wú)關(guān)，僅受輸出功率和輸入源內(nèi)阻限制。

5.7 內(nèi)部補(bǔ)償

誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)比較輸出電壓和參考電壓，提供適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5.8 短路保護(hù)

芯片允許輸出短路，內(nèi)部電流限制和過(guò)溫保護(hù)能在短路、過(guò)流和過(guò)溫時(shí)保護(hù)芯片。

5.9 低噪聲操作

集成低噪聲抗振鈴開(kāi)關(guān)，抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振蕩，減少高頻輻射噪聲。

5.10 過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉芯片，結(jié)溫下降10°C后自動(dòng)重啟，同時(shí)軟啟動(dòng)復(fù)位。

六、應(yīng)用信息

6.1 典型應(yīng)用

MCP1640/B/C/D適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如單節(jié)、雙節(jié)和三節(jié)堿性、NiMH/NiCd便攜式產(chǎn)品，單節(jié)Li - Ion到5V轉(zhuǎn)換器，鋰硬幣電池供電設(shè)備，個(gè)人醫(yī)療產(chǎn)品，無(wú)線傳感器，手持儀器，GPS接收器，藍(lán)牙耳機(jī)以及 + 3.3V到 + 5.0V分布式電源等。

6.2 可調(diào)輸出電壓計(jì)算

通過(guò)公式(R{TOP}=R{BOT} timesleft(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1right))可計(jì)算電阻分壓器的值，選擇合適的電阻值可保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

6.3 電容選擇

• 輸入電容：推薦使用低ESR的X5R或X7R電容，一般應(yīng)用4.7μF即可，高功率應(yīng)用建議使用10μF。
• 輸出電容：X5R和X7R陶瓷電容適合用于提供穩(wěn)定輸出電壓和減少紋波，輸出電容范圍推薦為10μF至100μF。

6.4 電感選擇

推薦電感值為4.7μH，以平衡電感尺寸、轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲。選擇電感時(shí)需考慮最大額定電流、飽和電流和銅電阻等參數(shù)。

6.5 熱計(jì)算

通過(guò)測(cè)量效率可估算芯片的內(nèi)部功耗，結(jié)合封裝熱阻可估算結(jié)溫。

6.6 PCB布局

良好的PCB布局對(duì)于開(kāi)關(guān)電源至關(guān)重要，輸入和輸出電容應(yīng)盡量靠近芯片，反饋電阻和信號(hào)應(yīng)遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和電流環(huán)路，可使用接地平面和走線來(lái)屏蔽反饋信號(hào)，減少噪聲和磁干擾。

七、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了兩個(gè)典型應(yīng)用電路，分別是鋰錳硬幣電池應(yīng)用（使用旁路模式）和USB On - The - Go由Li - Ion電池供電的應(yīng)用，展示了MCP1640/B/C/D在不同場(chǎng)景下的具體應(yīng)用。

八、封裝信息

MCP1640/B/C/D提供6引腳SOT - 23和8引腳2mm x 3mm DFN兩種封裝形式，文檔詳細(xì)介紹了封裝的尺寸、引腳定義和推薦的焊盤布局。

九、總結(jié)

MCP1640/B/C/D系列同步升壓調(diào)節(jié)器以其低啟動(dòng)電壓、高轉(zhuǎn)換效率、多種工作模式和豐富的保護(hù)功能，為電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇外部元件和優(yōu)化PCB布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)電源電路時(shí)，可以考慮將MCP1640/B/C/D納入選擇范圍，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

大家在使用MCP1640/B/C/D的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到什么有趣的問(wèn)題或者獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。