ADP1876：高性能雙輸出同步降壓PWM控制器的深度剖析

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，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。ADP1876作為一款600 kHz雙輸出同步降壓PWM控制器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為眾多工程師的首選。本文將對ADP1876進(jìn)行全面解析，涵蓋其特性、工作原理、應(yīng)用信息以及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置等方面，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計中提供有價值的參考。

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一、ADP1876特性概覽

1. 電氣特性

• 寬輸入范圍：支持2.75 V至20 V的輸入電壓，為不同電源環(huán)境提供了廣泛的適應(yīng)性。
• 輸出靈活性：輸出電壓范圍為0.6 V至90% (V_{IN})，可滿足多種負(fù)載需求。
• 高輸出電流：每通道輸出電流超過25 A，能夠?yàn)楦吖β守?fù)載提供穩(wěn)定的電力支持。
• 精準(zhǔn)參考電壓：在 -40°C至 +85°C溫度范圍內(nèi)，參考電壓精度達(dá)到±0.85%，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性。

2. 功能特性

• 線性穩(wěn)壓器：集成1.5 V固定輸出的線性穩(wěn)壓器，可提供150 mA的電流，適用于低功率負(fù)載。
• 相位偏移：兩通道之間有180°的相位偏移，有效降低了輸入電容需求，減少了輸入電流紋波。
• 保護(hù)功能：具備過流限制保護(hù)、熱過載保護(hù)、輸入欠壓鎖定（UVLO）等多種保護(hù)機(jī)制，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 可編程功能：支持外部可編程軟啟動、斜率補(bǔ)償和電流感測增益，增強(qiáng)了設(shè)計的靈活性。

二、工作原理

1. 整體架構(gòu)

ADP1876基于固定頻率、電流模式PWM控制架構(gòu)，通過感應(yīng)外部低側(cè)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)過電流感測放大器處理后，與模擬電流斜坡信號一起輸入到PWM比較器中。誤差放大器則對反饋電壓和COMP引腳產(chǎn)生的誤差電壓之間的誤差進(jìn)行積分，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。

2. 同步整流與死區(qū)時間

同步整流（低側(cè)MOSFET）通過取代異步降壓調(diào)節(jié)器中常用的肖特基二極管，提高了效率。ADP1876中的防直通電路會監(jiān)測SW和DL節(jié)點(diǎn)，調(diào)整高低側(cè)驅(qū)動器，確保在高低側(cè)MOSFET之間實(shí)現(xiàn)先斷后通的開關(guān)操作，避免交叉導(dǎo)通或直通現(xiàn)象。死區(qū)時間并非固定值，取決于MOSFET的開關(guān)速度，在典型應(yīng)用中，使用中等大小輸入電容（約3 nF）的MOSFET時，死區(qū)時間約為30 ns。

3. 輸入欠壓鎖定

當(dāng)偏置輸入電壓 (V{IN}) 低于欠壓鎖定（UVLO）閾值時，開關(guān)驅(qū)動器保持不活動狀態(tài)；當(dāng) (V{IN}) 超過UVLO閾值時，開關(guān)開始工作。

4. 內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（VCCO）

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器為低 dropout 類型，可調(diào)節(jié)輸出電壓VCCO，為內(nèi)部控制電路和柵極驅(qū)動器供電。它保證了超過200 mA的輸出電流能力，足以滿足典型邏輯閾值MOSFET的柵極驅(qū)動需求。VCCO始終處于活動狀態(tài)，不受EN1/EN2引腳控制。由于LDO為柵極驅(qū)動器提供電流，其輸出會受到開關(guān)過程中瞬態(tài)電流的影響，但LDO經(jīng)過優(yōu)化，能夠處理這些瞬態(tài)而不會出現(xiàn)過載故障。

5. 過壓保護(hù)

ADP1876以600 kHz的固定頻率PWM工作。當(dāng)輸出短路到高于調(diào)節(jié)電壓的電壓時，控制器的占空比會進(jìn)行調(diào)制，通過在關(guān)斷周期內(nèi)使低側(cè)N溝道MOSFET吸收電流，將輸出穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)電壓。

6. 電源良好指示（PGOOD）

PGOODx引腳是一個帶有內(nèi)部12 kΩ上拉電阻的開漏NMOS。在正常工作時，PGOODx內(nèi)部上拉至VCCO；當(dāng)反饋電壓VFB高于過壓閾值或低于欠壓閾值時，經(jīng)過12 μs的延遲后，PGOODx輸出被拉至地。過壓或欠壓條件必須持續(xù)超過12 μs，PGOODx才會變?yōu)橛行?。此外，?dāng)檢測到熱過載條件時，PGOODx輸出也會變?yōu)橛行А?/p>

7. 短路和電流限制保護(hù)

當(dāng)輸出短路或輸出電流連續(xù)八個周期超過由電流限制設(shè)置電阻（ILIMx和SWx之間）設(shè)定的電流限制時，ADP1876會關(guān)閉高低側(cè)驅(qū)動器，并每10 ms重新啟動軟啟動序列，即所謂的打嗝模式。在過流或短路事件期間，SS節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)部1 kΩ電阻放電至零。

8. 關(guān)機(jī)控制

EN1和EN2引腳分別用于啟用或禁用ADP1876的通道1和通道2。EN1或EN2的精確使能閾值通常為0.63 V。當(dāng)EN1或EN2電壓高于0.63 V時，ADP1876啟用并在軟啟動期后開始正常工作；當(dāng)ENx電壓低于0.57 V時，開關(guān)和內(nèi)部電路關(guān)閉。需要注意的是，EN1/EN2不能關(guān)閉VOUTLDO或VCCO，它們始終處于活動狀態(tài)。

9. 熱過載保護(hù)

ADP1876內(nèi)部有溫度傳感器，當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到約155°C時，進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)換器、VCCO和VOUTLDO關(guān)閉，SSx通過內(nèi)部1 kΩ電阻向零放電。當(dāng)結(jié)溫降至135°C以下時，經(jīng)過軟啟動序列后恢復(fù)正常工作。

三、應(yīng)用信息

1. 獨(dú)立低壓差線性穩(wěn)壓器

獨(dú)立LDO穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，輸出固定為1.5 V，最大負(fù)載電流為150 mA。內(nèi)部短路電流限制設(shè)置為約430 mA。為使LDO在規(guī)格范圍內(nèi)工作，需向VIN引腳供電。當(dāng)VINLDO超過輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值時，LDO啟用，具備短路保護(hù)和熱過載關(guān)機(jī)等安全特性。

2. 設(shè)置控制器輸出電壓

通過從輸出到FBx的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓。分壓器將輸出電壓分壓至0.6 V的FBx調(diào)節(jié)電壓，從而設(shè)定調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓可低至0.6 V，高至電源輸入電壓的90%。為保證調(diào)節(jié)電壓的精度，需合理選擇分壓器電阻值，避免因FBx引腳的輸入偏置電流影響輸出電壓準(zhǔn)確性。

3. 軟啟動

軟啟動周期通過SS1或SS2與AGND之間的外部電容設(shè)置。軟啟動功能可限制輸入浪涌電流，防止輸出過沖。當(dāng)EN1/EN2啟用時，6.5 μA的電流源開始對電容充電，當(dāng)SS1/SS2電壓達(dá)到0.6 V時，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓。軟啟動周期可通過公式 (t{ss}=frac{0.6 V}{6.5 mu A} C{ss}) 近似計算。當(dāng)控制器禁用時，軟啟動電容通過內(nèi)部1 kΩ下拉電阻放電。

4. 設(shè)置電流限制

電流限制比較器通過測量低側(cè)MOSFET上的電壓來確定負(fù)載電流。電流限制由ILIMx和SWx之間的外部電流限制電阻RILIM設(shè)置。電流感測引腳ILIMx向該外部電阻提供標(biāo)稱50 μA的電流，產(chǎn)生的偏移電壓為 (R{ILIM}) 乘以50 μA。當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET (R{DSON}) 上的壓降等于或大于該偏移電壓時，ADP1876標(biāo)記電流限制事件。為確保系統(tǒng)能處理最大期望負(fù)載電流，需根據(jù)電感峰值電流、MOSFET的最大 (R_{DSON}) 和最小ILIM電流來設(shè)置最小電流限制。

5. 精確電流限制感測

由于MOSFET的 (R{DSON}) 在溫度范圍內(nèi)可能變化超過50%，為實(shí)現(xiàn)精確的電流限制感測，可在低側(cè)MOSFET源極與PGNDx之間添加電流感測電阻。確保電流感測電阻的功率額定值適合應(yīng)用，并根據(jù)新的電阻值計算 (R{ILIM})。

6. 設(shè)置斜率補(bǔ)償

在電流模式控制拓?fù)渲校甭恃a(bǔ)償用于防止電感電流中的次諧波振蕩，維持輸出穩(wěn)定。通過在RAMPx引腳與輸入電壓之間連接電阻來實(shí)現(xiàn)外部斜率補(bǔ)償。電阻 (R{RAMP}) 可通過公式 (R{RAMP}=frac{3.6 × 10^{10} L}{A{CS} × R{DSONMAX}}) 計算，其中L為電感值，(R{DSONMAX}) 為低側(cè)MOSFET的最大導(dǎo)通電阻，(A{CS}) 為電流感測放大器的增益。同時，需確保流入RAMPx的電流在6 μA至200 μA之間。

7. 設(shè)置電流感測增益

電流感測放大器通過將電感峰值電流與MOSFET的 (R{DSON}) 相乘來感測外部低側(cè)MOSFET上的電壓降，并將結(jié)果放大。增益可通過連接到DLx引腳的外部電阻RCSG編程為3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。選擇電流感測增益時，需確保內(nèi)部最小放大電壓（(V{CSMIN})）高于0.4 V，最大放大電壓（(V{CSMAX})）為2.1 V，同時最大VCOMP（(V{COMPMAX})）不超過2.2 V，以考慮溫度和器件間的變化。

8. 輸入電容選擇

降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流為脈沖波形，輸入電容需具備足夠的紋波電流額定值和較低的等效串聯(lián)電阻（ESR），以處理輸入紋波并減輕輸入電壓紋波。通常使用兩個并聯(lián)電容，一個大容量電容和一個10 μF的陶瓷去耦電容，放置在高側(cè)開關(guān)MOSFET的漏極附近。根據(jù)輸出占空比和所需的輸入紋波電壓，可計算出最小輸入電容值。

9. 輸入濾波器

通常，從輸入引腳（VIN）到AGND的0.1 μF（或更大值）旁路電容足以過濾任何不需要的開關(guān)噪聲。但根據(jù)印刷電路板（PCB）布局，可能需要在VIN引腳處添加低通濾波器。通過在VIN串聯(lián)2 Ω至5 Ω的電阻，并在VIN和AGND之間連接1 μF陶瓷電容，可有效過濾開關(guān)調(diào)節(jié)器引起的任何不需要的干擾。

10. 升壓電容選擇

為降低系統(tǒng)組件數(shù)量和成本，ADP1876在VCCO和BSTx之間集成了整流器（相當(dāng)于升壓二極管）。選擇0.1 μF至0.22 μF的升壓陶瓷電容，為高側(cè)驅(qū)動器在開關(guān)過程中提供電流。

11. 電感選擇

輸出LC濾波器用于平滑SWx處的開關(guān)電壓。對于大多數(shù)應(yīng)用，選擇電感值使電感紋波電流在最大直流輸出負(fù)載電流的20%至40%之間。同時，需確保電感的飽和電流遠(yuǎn)高于特定設(shè)計的電感峰值電流。電感值可通過公式 (L=frac{V{IN}-V{OUT}}{f{SW} × Delta I{L}} × frac{V{OUT}}{V{IN}}) 計算。

12. 輸出電容選擇

選擇輸出大容量電容以設(shè)置所需的輸出電壓紋波。輸出電容的阻抗（包括電容阻抗、等效串聯(lián)電阻ESR和等效串聯(lián)電感ESL）乘以紋波電流即為輸出電壓紋波。根據(jù)不同類型的輸出電容（如電解電容、MLCC電容），可使用相應(yīng)的公式計算輸出電容值。同時，需確保輸出電容的紋波電流額定值大于最大電感紋波電流。

13. MOSFET選擇

MOSFET的選擇直接影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的性能。應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻低、柵極電荷低、熱阻低的MOSFET。對于高側(cè)MOSFET，需平衡導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；對于低側(cè)MOSFET，應(yīng)優(yōu)化其導(dǎo)通電阻以提高效率。在功率損耗超過MOSFET額定值或需要更低電阻時，可并聯(lián)多個低側(cè)MOSFET。

14. 環(huán)路補(bǔ)償

ADP1876使用跨導(dǎo)誤差放大器來穩(wěn)定外部電壓環(huán)路。在COMP和AGND之間添加RC補(bǔ)償器即可完成補(bǔ)償。通過一系列公式可計算出補(bǔ)償組件 (R{COMP}) 和 (C{COMP}) 的值，同時需設(shè)置 (C{C2}) 在 (frac{1}{20} × C{COMP}) 至 (frac{1}{10} × C_{COMP}) 之間。

15. 開關(guān)噪聲和過沖降低

在高速降壓調(diào)節(jié)器中，柵極、開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）和外部MOSFET的漏極會出現(xiàn)高頻噪聲和電壓過沖。為減少電壓振鈴和噪聲，可在SWx和PGNDx之間添加RC緩沖器。同時，在BST1引腳添加電阻或在柵極驅(qū)動器串聯(lián)電阻也有助于減少過沖。但需注意，使用RC緩沖器會降低整體效率。

16. PCB布局指南

關(guān)于PCB布局的更多信息，可參考AN - 1119應(yīng)用筆記《降壓調(diào)節(jié)器的印刷電路板布局指南：雙通道開關(guān)控制器的低噪聲設(shè)計優(yōu)化》。

四、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了一個典型應(yīng)用電路示例，輸入電壓范圍為10 V至14 V，輸出電壓分別為5 V和1.8 V，輸出電流均為13 A。電路中詳細(xì)列出了各個組件的參數(shù)，如電容、電感、MOSFET等，為實(shí)際設(shè)計提供了參考。

五、封裝和訂購信息

ADP1876有32引腳、5 mm × 5 mm LFCSP封裝，提供不同的溫度范圍選項。同時，還有評估板可供選擇，方便工程師進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

六、總結(jié)

ADP1876作為一款高性能的雙輸出同步降壓PWM控制器，具有豐富的特性和強(qiáng)大的功能。通過合理設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，正確選擇組件，并遵循PCB布局指南，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，設(shè)計出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體需求進(jìn)行靈活調(diào)整，以滿足不同的設(shè)計要求。希望本文能為電子工程師在使用ADP1876進(jìn)行設(shè)計時提供有益的幫助。你在使用ADP1876的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。