如何利用集成化开关稳压器简化电源设计.doc

如何利用集成化开关稳压器简化电源设计 一提到电源设计，大多数工程师都会感到挠头，他们往往会问“从哪里入手呢”。首先先必须确定电源的拓扑，包括降压、升压、flyback、半桥和 全桥等，还要确定控制方案、电压模式、电流模式、固定导通时间等。其他问题还包括：(1)电源的频率特性如何？这将决定应该使用何种电感和电容，以满足输 出纹波和负载暂态响应的要求。(2)为了确保整个电路在各种负载、温度条件下的稳定性，应该采用哪种补偿方案呢？(3)选择“合适的”MOSFET也并非 小事一桩。驱动电路能否控制MOSFET的栅电容？寄生电容和Rds(on)又将如何影响总功耗？ 但需要回答的问题还不仅仅局限于此。PCB设计工程师可能会来告诉你，PCB板上没有足够的空间来容纳所有选定的元件。控制器应该放在哪里？或者，MOSFET、输入电容、电感、输出电容、控制电路等等又该放在哪里？采用何种接地方案？PGND和AGND在哪里连接？为了获得最佳的电磁干扰(EMI)性能或消除噪声干扰，如何才能尽量减少AC环路？散热器应放在哪里？气流的方向如何？应该使用多少过孔？ 上述这些问题表明，电源开关稳压器的 设计不是一项简单的任务。但Intersil的集成化FET DC/DC稳压器使降压电源转换器的设计变得轻松自如。这些IC芯片内部已经解决了大多数棘手问题，并对各种配置进行了优化，如MOSFET尺寸、驱动电 路、电流感应元件及限流、环路补偿、温度补偿及过热保护等。开关频率高达1MHz以上，因此可以使用小型电感和陶瓷电容，这些电感和电容是许多制造商的标 准产品。最后，对于大多数解决方案，Intersil还提供了评估电路板和推荐的PCB设计，供客户参考。 集成化FET DC/DC转换器的优势 图1是一个完整的4A转换器的典型应用电路，采用ISL8014芯片。这种电路仅需极少的外部组件。图2是ISL8014集成FET硅芯片的框图。同一个芯片集成了众多的特性和功能，从而使得电源设计变得非常轻松。 图1：4A集成FET功率转换器的典型应用示意图。 1．内置MOSFET 请 注意图2具有VIN管脚到LX管脚的高边功率P沟道MOSFET，以及LX管脚到PGND管脚的低边N沟道MOSFET，因此不需要再浪费时间去寻找合适 的MOSFET。这些内置MOSFET与驱动电路一起，在开关频率、负载电流、输入电压、温度范围等方面可以满足广泛的应用需求。 图2：4A集成FET功率转换器内部电路框图。 驱 动电路的上升和下降时间约为3ns，在EMI噪声和功耗之间达到了最佳平衡。非重叠时间、高边和低边MOSFET的开/关转换时间(或称死区时间)都得到 很好控制，以免出现直通现象。在LX到PGND管脚之间，不需要另外使用肖特基二极管来提高效率。开关波形请见图3a和图3b。 图3a：LX 开关波形(降压)。 图3b：LX开关波形(升压)。 2．断续模式与连续模式 可 供设计人员选择的集成稳压器很多。对于不过分考虑成本的产品，Intersil提供一种标准的降压稳压器，该稳压器在轻载时采用断续模式(DCM)，并需 要外接功率肖特基二极管。另一方面，还有很多不需要外接肖特基二极管的同步降压稳压器，可以工作在连续模式(CCM)及/或DCM模式。 3．内置与外接环路补偿 Intersil 提供的大多数低输入电压稳压器均具有内部补偿功能，设计人员不需要保证每种工作条件的稳定性。所选择的参数支持规格书中列出的大多数典型应用。对于额定输 入电流范围更宽或额定输出电流较高的稳压器，则采用外部补偿，以获得更大的灵活性。产品规格书提供了清晰的说明和设计指南。 4．带温度补偿的过流保护 表1所列的Intersil集成稳压器具有过流保护功能。高端功率P沟道MOSFET的区域，对峰值电流进行监测。这可以防止外部噪声，而外部噪声可能需要增加额外的滤波器并延长保护响应时间，对于没有集成MOSFET的IC，情况常常如此。 如 果吸入电流过大，比较器将翻转，高端MOSFET被关断。除很强的抗噪声能力和过流保护功能外，稳压器具有的温度补偿功能也可以在整个允许的温度范围内保 持相对恒定的极限值。温度每变化1?C，大多数MOSFET的Rds(on) 将改变0.5%。对于采用外接MOSFET的方案，特别是使用外接MOSFET感应电流时，很难根据温度变化进行调节，除非增加额外的成本和/或电路的复 杂程度。集成的稳压器可以根据MOSFET的变化方便地进行内部调节。与外接电路相比，功率器件和控制部分之间的热耦合更为紧密。带温度补偿的器件与不带 温度补偿器件的比较如图4所示。 图4：典型4A器件的输出电流过载阀值。 5．其他先进的控制功能 Intersil的集成化FET DC/DC转换器还具有先进的控制功能，如表1所示。 采用集成化FET的