ADP1612/ADP1613：高效升壓DC - DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。ADP1612/ADP1613作為一款高性能的升壓DC - DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。本文將對(duì)ADP1612/ADP1613進(jìn)行全面解析，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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一、產(chǎn)品概述

ADP1612/ADP1613是具有集成功率開關(guān)的升壓DC - DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?.8V - 5.5V的輸入電壓提升至最高20V的輸出電壓。其封裝高度小于1.1mm，非常適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用，如便攜式設(shè)備或薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）。該轉(zhuǎn)換器采用電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM），效率高達(dá)94%，具備可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)、欠壓鎖定（UVLO）、熱關(guān)斷（TSD）等功能，并且支持ADIsimPower?設(shè)計(jì)工具。

二、關(guān)鍵特性

（一）電流限制

ADP1612的電流限制為1.4A，ADP1613的電流限制為2.0A，不同的電流限制使得兩款芯片適用于不同功率需求的應(yīng)用場景。

（二）輸入電壓

ADP1612的最小輸入電壓為1.8V，ADP1613的最小輸入電壓為2.5V，工程師可以根據(jù)實(shí)際輸入電源的情況選擇合適的芯片。

（三）PWM頻率

通過引腳可選擇650kHz或1.3MHz的PWM頻率。較低的頻率可以優(yōu)化調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)高效率，而較高的頻率則適用于使用小型外部組件的應(yīng)用。

（四）輸出電壓

輸出電壓可調(diào)節(jié)至最高20V，通過電阻分壓器R1和R2可以方便地設(shè)置輸出電壓，計(jì)算公式為(V_{OUT}=1.235×(1 + R1/R2))。

（五）其他特性

可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)功能可以防止在器件啟用時(shí)產(chǎn)生浪涌電流；欠壓鎖定（UVLO）可防止在低輸入電壓下出現(xiàn)不穩(wěn)定操作；熱關(guān)斷（TSD）能在芯片溫度過高時(shí)保護(hù)器件。

三、工作原理

（一）電流模式PWM操作

ADP1612/ADP1613采用電流模式PWM控制方案來調(diào)節(jié)輸出電壓。通過電阻分壓器在FB引腳監(jiān)測輸出電壓，內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器將FB引腳的電壓與內(nèi)部1.235V參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓在COMP引腳。內(nèi)部測量開關(guān)電流并與穩(wěn)定斜坡相加，將結(jié)果與COMP引腳的誤差電壓進(jìn)行比較，以控制PWM調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的輸出電壓。

（二）頻率選擇

通過FREQ引腳可以選擇工作頻率。將FREQ引腳連接到GND，芯片工作在650kHz；連接到VIN，芯片工作在1.3MHz。若FREQ引腳浮空，芯片默認(rèn)工作在650kHz。

（三）軟啟動(dòng)

在SS引腳連接一個(gè)電容到GND可以設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)芯片啟動(dòng)時(shí)，SS引腳以典型5μA的電流對(duì)軟啟動(dòng)電容充電，直到達(dá)到1.2V。在充電過程中，它限制了芯片允許的峰值電流，從而防止啟動(dòng)時(shí)輸入電流過大。

（四）熱關(guān)斷（TSD）

當(dāng)芯片的管芯溫度超過150°C（典型值）時(shí)，TSD功能會(huì)關(guān)閉NMOS功率器件，顯著降低器件的功耗，防止輸出電壓調(diào)節(jié)。直到管芯溫度降至130°C（典型值），NMOS功率器件才會(huì)重新開啟。

（五）欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)輸入電壓低于UVLO閾值時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)關(guān)閉功率開關(guān)，進(jìn)入低功耗模式，防止在低輸入電壓下出現(xiàn)不穩(wěn)定操作。UVLO閾值具有約100mV的遲滯，以確保啟動(dòng)時(shí)無干擾。

（六）使能/關(guān)斷控制

EN引腳用于控制芯片的開啟和關(guān)閉。將EN引腳拉低，芯片進(jìn)入關(guān)斷模式，輸入電流典型值降至0.01μA；將EN引腳拉高，芯片開啟。

四、應(yīng)用信息

（一）ADIsimPower設(shè)計(jì)工具

ADP1612/ADP1613得到了ADIsimPower設(shè)計(jì)工具集的支持。該工具集可以根據(jù)特定的設(shè)計(jì)目標(biāo)生成完整的電源設(shè)計(jì)，包括原理圖、物料清單，并能在幾分鐘內(nèi)計(jì)算性能。它可以在考慮IC和所有實(shí)際外部組件的工作條件和限制的情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)的成本、面積、效率和零件數(shù)量。

（二）設(shè)置輸出電壓

通過電阻分壓器R1和R2可以設(shè)置輸出電壓，公式為(V{OUT}=1.235×(1 + R1/R2))。選擇R1時(shí)可根據(jù)公式(R1 = R2×((V{OUT}-1.235)/1.235))進(jìn)行計(jì)算。

（三）電感選擇

電感是升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組件，它在功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)能量，在關(guān)斷時(shí)將能量傳遞到輸出。為了平衡電感電流紋波和效率之間的關(guān)系，建議選擇4.7μH - 22μH的電感值。在確定電感紋波電流時(shí)，可以根據(jù)輸入和輸出電壓計(jì)算開關(guān)占空比(D=(V{OUT}-V{IN})/V{OUT})，進(jìn)而計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間(t{ON}=D/f{SW})，最后根據(jù)公式(Delta I{L}=V{IN}×t{ON}/L)計(jì)算電感紋波電流。同時(shí)，要確保電感的峰值電流低于其額定飽和電流，最大額定均方根電流大于調(diào)節(jié)器的最大直流輸入電流。

（四）輸入和輸出電容選擇

輸入電容應(yīng)選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）、10μF或更大的電容，以防止芯片輸入產(chǎn)生噪聲。輸出電容用于維持輸出電壓并在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)為負(fù)載提供電流，建議選擇低ESR的陶瓷電容。輸出電壓紋波(Delta V{OUT}=I{OUT}×t{ON}/C{OUT})，可以根據(jù)此公式選擇合適的輸出電容。

（五）二極管選擇

輸出整流二極管在開關(guān)關(guān)斷時(shí)將電感電流傳導(dǎo)到輸出電容和負(fù)載。為了實(shí)現(xiàn)高效率，應(yīng)盡量減小二極管的正向電壓降，建議使用肖特基整流二極管。在高電壓、高溫應(yīng)用中，當(dāng)肖特基整流二極管的反向泄漏電流變得顯著并可能降低效率時(shí)，可以使用超快結(jié)二極管。同時(shí)，要確保二極管能夠承受平均輸出負(fù)載電流。

（六）環(huán)路補(bǔ)償

ADP1612/ADP1613使用外部組件來補(bǔ)償調(diào)節(jié)器環(huán)路，以優(yōu)化環(huán)路動(dòng)態(tài)性能。升壓轉(zhuǎn)換器在調(diào)節(jié)反饋環(huán)路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不期望的右半平面零點(diǎn)，需要補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，使交叉頻率遠(yuǎn)低于右半平面零點(diǎn)的頻率。通過一系列公式可以計(jì)算補(bǔ)償電阻和電容的值，以確保調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性。

（七）軟啟動(dòng)電容

軟啟動(dòng)電容的大小決定了啟動(dòng)時(shí)間和輸入電流過沖的程度?？梢愿鶕?jù)公式(C{SS}=Delta t×I{SS}/V{SS})計(jì)算軟啟動(dòng)電容的值，其中(I{SS}=5μA)（典型值），(V_{SS}=1.2V)，(Delta t)為啟動(dòng)時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，33nF的軟啟動(dòng)電容可以在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)較小的輸入電流過沖。

五、典型應(yīng)用電路

（一）升壓調(diào)節(jié)器

ADP1612/ADP1613可以用于基本的升壓配置，通過連接適當(dāng)?shù)碾姼小㈦娙?、二極管和電阻，可以實(shí)現(xiàn)不同的輸入、輸出和負(fù)載條件。文中給出了多個(gè)升壓調(diào)節(jié)器電路示例，包括不同輸出電壓和開關(guān)頻率下的電路參數(shù)和效率曲線。

（二）SEPIC轉(zhuǎn)換器

ADP1612/ADP1613還可以用于單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）拓?fù)洌m用于輸入電壓不穩(wěn)定的應(yīng)用，如電池供電的應(yīng)用。在SEPIC拓?fù)渲?，輸入和輸出通過耦合電容進(jìn)行直流隔離。

（三）TFT LCD偏置電源

該芯片可以用于TFT LCD模塊應(yīng)用的電源電路，提供+10V、 - 5V和+22V的輸出。通過升壓配置和電荷泵電路實(shí)現(xiàn)不同電壓的輸出。

六、PCB布局指南

良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率、良好的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

1. 保持低ESR輸入電容靠近VIN和GND，以減少電路板寄生電感注入芯片的噪聲。
2. 盡量縮短從輸入電容通過電感到SW和GND的高電流路徑，以及從VIN通過電感、整流器和輸出電容的高電流路徑。
3. 保持高電流走線盡可能短和寬，將反饋電阻靠近FB引腳放置，以防止噪聲拾取。
4. 將補(bǔ)償組件靠近COMP引腳放置，將軟啟動(dòng)電容靠近器件放置，并將它們的接地直接連接到AGND平面，與GND引腳形成開爾文連接。
5. 避免在補(bǔ)償和反饋電阻的高阻抗走線附近布線連接到SW或電感的節(jié)點(diǎn)，以防止輻射噪聲注入。

ADP1612/ADP1613是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的升壓DC - DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器，在眾多應(yīng)用場景中具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片和外部組件，并遵循正確的PCB布局原則，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似芯片應(yīng)用的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和問題。