深入解析 FAN53730：高性能 Buck 調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子設(shè)備日益小型化和高性能化的今天，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。FAN53730 作為一款由 onsemi 推出的 3A 恒定導(dǎo)通時間（COT）降壓調(diào)節(jié)器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場景的理想選擇。

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一、FAN53730 概述

FAN53730 是一款支持最小 3A 負(fù)載電流的恒定導(dǎo)通時間（COT）降壓轉(zhuǎn)換器。其 COT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過可變頻率操作，實現(xiàn)了最快的瞬態(tài)恢復(fù)和最佳的負(fù)載效率。該芯片提供兩種設(shè)備選項：I2C 控制和邏輯控制（引腳可選 VOUT），且兩種選項都具備自動 DCM/CCM 模式操作和強制 CCM 控制功能。

1.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：輸入電壓范圍為 2.3V 至 5.5V，輸出電壓可編程，范圍從 0.3V 到 2V，還支持引腳選擇默認(rèn)值。
• 低靜態(tài)電流：僅 12μA 的低靜態(tài)電流，有助于降低功耗，延長設(shè)備續(xù)航時間。
• 內(nèi)部軟啟動：在啟動時限制輸入電流，避免電流沖擊對電路造成損害。
• 高頻開關(guān)：連續(xù)導(dǎo)通操作時的開關(guān)頻率為 2.5MHz，可減小外部元件尺寸。
• 邏輯兼容：與 1.2V 和 1.8V 邏輯電平兼容，方便與其他電路集成。
• 多重保護(hù)：具備輸入欠壓、短路、過流和熱保護(hù)等故障保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 電源良好輸出（PG）：方便監(jiān)測輸出電壓的狀態(tài)。
• 強制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）：可在特定情況下保證穩(wěn)定的輸出。
• 音頻降噪模式：消除開關(guān)引起的可聽噪聲。
• 寬工作溫度范圍：-40°C 至 +85°C 的環(huán)境溫度范圍，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

1.2 應(yīng)用場景

FAN53730 適用于多種應(yīng)用場景，如 LPDDR 內(nèi)存、移動和智能設(shè)備、RF 模塊等。其高性能和穩(wěn)定性能夠滿足這些設(shè)備對電源的嚴(yán)格要求。

二、詳細(xì)功能解析

2.1 恒定導(dǎo)通時間（COT）操作

COT 控制器的工作原理是：當(dāng)輸出電壓偏離調(diào)節(jié)范圍時，輸入功率開關(guān)開啟固定的導(dǎo)通時間（tON），使電感電流上升。在 tON 結(jié)束時，輸入開關(guān)關(guān)閉，低端同步 FET 開啟，將電感中的能量釋放到輸出端。如果電感電流在負(fù)載使輸出電壓偏離調(diào)節(jié)范圍之前達(dá)到 0，則輸入 FET 和同步 FET 都將關(guān)閉，設(shè)備進(jìn)入空閑狀態(tài)，直到輸出電壓低于調(diào)節(jié)目標(biāo)，開關(guān)動作再次開始。這種操作方式在輕負(fù)載時實現(xiàn)了可變頻率操作，而在重負(fù)載時則近似恒定的開關(guān)頻率。

2.2 導(dǎo)通時間和最大開關(guān)頻率

Buck 開關(guān)的導(dǎo)通時間（tON）會隨輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT）的變化而變化，以在 VIN = 3.8V 和 VOUT = 1V 時近似達(dá)到 2.5MHz 的開關(guān)頻率。不過，由于定時電路的延遲和非線性，以及負(fù)載依賴效應(yīng)，開關(guān)頻率會有一定的變化。

2.3 效率優(yōu)化

負(fù)載依賴的開關(guān)頻率使得降壓轉(zhuǎn)換器僅在必要時進(jìn)行開關(guān)操作，從而在輕負(fù)載時將開關(guān)損耗降至最低，實現(xiàn)了最佳的效率響應(yīng)。但當(dāng)強制 CCM（FCCM）啟用時，由于開關(guān)損耗增加，輕負(fù)載效率會大幅降低。

2.4 低功耗模式

在低輸出電流條件下，空閑狀態(tài)相對于導(dǎo)通和關(guān)斷時間會很長。此時，F(xiàn)AN53730 會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，在空閑期間關(guān)閉設(shè)備，從而降低靜態(tài)電流。

2.5 使能輸入

使能輸入（EN）是一個高電平有效的設(shè)備使能信號。當(dāng) EN 為低電平時，F(xiàn)AN53730 處于低功耗關(guān)機模式；當(dāng) EN 為高電平時，設(shè)備處于工作狀態(tài)，輸出電壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。對于 I2C 控制的設(shè)備，EN 輸入必須為高電平，且 ENABLE（REG 06h[0]）位設(shè)置為 1 才能啟用設(shè)備。

2.6 軟啟動

FAN53730 內(nèi)置軟啟動功能，在啟動時將輸出電壓從 0 逐步升至目標(biāo)電壓，限制了啟動時的高輸入浪涌電流。軟啟動斜坡與動態(tài)電壓縮放（DVS）使用相同的斜坡，但不能通過 DVS_EN（Reg 06h [4]）位禁用。默認(rèn)啟動斜坡時間為每步 4μs，在 VOUT = 1V 且無負(fù)載的情況下，典型軟啟動斜坡時間約為 400μs，此外還有約 400μs 的偏置和參考初始化時間。

2.7 電源良好輸出（PG）

PG 是一個開漏輸出，當(dāng)輸出電壓上升到調(diào)節(jié)目標(biāo)的 93% 且輸出電壓斜坡完成時，PG 變?yōu)橛行?。只要輸出啟用、輸出電壓高于目?biāo)值的 93% 且未檢測到故障，PG 就會保持有效。PG 的極性可以通過 PG_POL（Reg 03h [0]）位設(shè)置，默認(rèn)情況下，PG 輸出在有效狀態(tài)下為開漏（外部上拉）。

2.8 輸出下拉

在關(guān)機和故障超時期間，輸出有一個 100Ω 的下拉電阻?？梢酝ㄟ^ OUT_DISCHARGE（Reg06h[3]）位禁用該下拉電阻。

2.9 欠壓鎖定（UVLO）

UVLO 會在輸入電壓（VIN）上升到 UVLO 上升閾值之前將設(shè)備保持在關(guān)機狀態(tài)。如果 VIN 下降到 UVLO 下降閾值以下，F(xiàn)AN53730 將觸發(fā) UVLO 事件并關(guān)機。

2.10 谷值電流限制

在 CCM 操作中，F(xiàn)AN53730 會調(diào)節(jié)電感電流的谷值，以將輸出電壓保持在目標(biāo)值。但 FAN53730 的功率路徑有最大谷值電感電流能力（IVALLEY）限制。當(dāng)輸出電流增加到電感谷值電流達(dá)到 IVALLEY 時，控制環(huán)路將被鉗位在該谷值電流限制閾值，無法再將輸出電壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，此時輸出電壓會下降。FAN53730 的最大輸出電流約為： [I{OUT_MAX }=I{VALLEY }+left(V{IN }-V{OUT }right) /(2 L) × t_{ON }] 其中，IVALLEY 是谷值電流限制閾值。對于邏輯控制的設(shè)備，IVALLEY 固定在 VAL_ILIM（Reg 03h[0]）= 1；對于 I2C 控制的設(shè)備，VAL_ILIM 可編程。

2.11 音頻降噪模式

I2C 控制的設(shè)備具有音頻降噪模式（ARM）。在該模式下，開關(guān)頻率保持在編程的目標(biāo)頻率以上，以消除陶瓷電容器中因電場變化產(chǎn)生的可聽噪聲。通過設(shè)置 ARM_EN（Reg 06h [5]）= 1 啟用 ARM。啟用后，會監(jiān)測 Buck 的 DCM 空閑時間（開關(guān)事件之間的死區(qū)時間）。如果 tIDLE 在新的 tON 開始之前達(dá)到編程的最大周期，則同步 MOSFET 將被強制導(dǎo)通足夠長的時間，使輸出電壓偏離調(diào)節(jié)范圍，從而強制啟動新的開關(guān)周期?？删幊痰某瑫r周期為 25μs 和 40μs，分別對應(yīng)最小允許頻率目標(biāo) 1/40μs = 25kHz 和 1/25μs = 40kHz。

2.12 動態(tài)電壓縮放（DVS）

I2C 控制的設(shè)備具有動態(tài)電壓縮放模式（DVS），可根據(jù)新的目標(biāo)輸出電壓的方向控制輸出電壓的上升或下降。輸出電壓的變化（或斜坡速率）通過在當(dāng)前目標(biāo)和新目標(biāo)之間的每個電壓設(shè)定點（10mV/步）逐步遞增來實現(xiàn)，直到達(dá)到新的目標(biāo)電壓。每步的時間可以使用 RR_DVS（Reg 02h [4:2]）進(jìn)行編程。

2.13 強制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM）

強制連續(xù)導(dǎo)通模式會禁用零交叉檢測，允許電感電流在輕負(fù)載條件下反向?qū)?，?FAN53730 在所有負(fù)載下連續(xù)開關(guān)。FCCM 在 DCM 開關(guān)頻率可能導(dǎo)致不必要的噪聲和干擾時非常有用。但在恒定頻率操作下，由于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗增加，輕負(fù)載效率會比可變頻率操作低得多。I2C 控制的設(shè)備有一個專門的 FCCM 位（FORCE_CCM，Reg 06h [1]），邏輯控制的設(shè)備有一個專門的引腳（FCCM）用于此功能。

2.14 電壓選擇輸入（VSEL）

VSEL 是一個邏輯輸入，用于在兩個目標(biāo)電壓之間切換輸出電壓。在邏輯控制的設(shè)備中，當(dāng) VSEL 為高電平時，輸出電壓切換到固定的 VSET2 電平；當(dāng) VSEL 為低電平時，輸出電壓切換到固定的 VSET1 目標(biāo)。在 I2C 控制的設(shè)備中，VSEL 輸入的操作相同，但 VSET1 和 VSET2 目標(biāo)可編程。

2.15 偏置模式

I2C 控制的設(shè)備有三種可編程的偏置模式選項，用于降低設(shè)備的靜態(tài)電流。這些 BIAS_MODE（Reg 03h [2:1]）位在長時間 SW 空閑期間禁用不常用的內(nèi)部邏輯塊，包括高偏置模式、低偏置模式和超低偏置模式。

2.16 瞬態(tài)增強位

設(shè)置 TRANSIENT_ENHANCEMENT（Reg 03h [4]）位會在輸出電壓下降到調(diào)節(jié)目標(biāo)以下 30mV 時，使 FAN53730 的導(dǎo)通時間加倍，從而在負(fù)載階躍事件（從低負(fù)載到高負(fù)載）時實現(xiàn)更快的輸出電壓恢復(fù)。但使用此模式的缺點是，在輸出電壓恢復(fù)期間，由于導(dǎo)通時間和電感電流紋波加倍，輸出可能會出現(xiàn)明顯的過沖。

2.17 保護(hù)功能

FAN53730 具備四種故障模式保護(hù)，包括輸入欠壓（VIN UVLO）故障、電流限制故障、輸出短路故障和熱故障。當(dāng)任何一種故障發(fā)生時，F(xiàn)AN53730 會進(jìn)入故障狀態(tài)并關(guān)機。默認(rèn)情況下，OUT_DISCHARGE（Reg 06h [3]）位在關(guān)機期間啟用輸出放電電阻。在電流限制和輸出短路故障時，轉(zhuǎn)換器會每 20ms 自動重啟，也可以通過設(shè)置 FAULT_SHDN（Reg 03h [3]）= 1 禁用此功能，此時設(shè)備將保持關(guān)機狀態(tài)。

三、I2C 接口與寄存器配置

3.1 I2C 接口

FAN53730 的 I2C 接口與標(biāo)準(zhǔn)、快速和快速加 I2C 總線規(guī)范兼容。SCL 線是輸入，SDA 線是雙向開漏輸出，僅在數(shù)據(jù)讀取和發(fā)送 ACK 信號時將總線拉低。所有數(shù)據(jù)按 MSB（位 7）優(yōu)先順序移位。

3.2 寄存器映射

FAN53730 有多個寄存器，用于配置和監(jiān)控設(shè)備的各種功能，包括故障標(biāo)志、配置參數(shù)、輸出電壓設(shè)置等。通過對這些寄存器的讀寫操作，可以實現(xiàn)對設(shè)備的精確控制。

四、應(yīng)用電路與設(shè)計指南

4.1 應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，需要合理選擇輸入電容、電感和輸出電容等元件。輸入電容的選擇和放置對于確保輸入電壓的清潔和降低電壓紋波至關(guān)重要，應(yīng)盡量靠近 IN 和 GND 引腳。電感的選擇應(yīng)基于所需的電感飽和和最大電流額定值，以支持負(fù)載電流。輸出電容應(yīng)盡可能靠近電感和 GND 引腳，以最小化 PCB 電感，減少輸出端的高頻傳導(dǎo)噪聲。

4.2 布局設(shè)計

在布局設(shè)計中，CIN 的放置最為關(guān)鍵，應(yīng)盡可能靠近 IN 和 GND 端子。其次，電感應(yīng)靠近 COUT+ 端子，并與 SW 直接連接，盡量減小 PCB 走線面積，以降低 SW 處的寄生電容，提高效率。COUT 應(yīng)盡可能靠近電感和 GND 連接。

五、總結(jié)

FAN53730 是一款功能強大、性能卓越的降壓調(diào)節(jié)器，具有多種先進(jìn)的功能和保護(hù)機制，適用于多種應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和進(jìn)行布局設(shè)計，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。同時，通過對 I2C 接口和寄存器的配置，可以實現(xiàn)對設(shè)備的靈活控制。希望本文能為電子工程師在使用 FAN53730 進(jìn)行設(shè)計時提供有益的參考。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的設(shè)計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。