SGM61131A：高性能同步降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，同步降壓轉(zhuǎn)換器是一種常見且重要的元件，它能夠?qū)⑤^高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為適合設(shè)備使用的較低電壓。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下SGM61131A這款同步降壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以及如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)用它。

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一、SGM61131A概述

SGM61131A是SGMICRO公司推出的一款自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（ACOT）同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有4.5V至17V的寬輸入電壓范圍，能夠提供3A的輸出電流，并且工作在偽固定頻率模式下。它將功率開關(guān)和內(nèi)部補(bǔ)償電路集成在一個(gè)小巧的6引腳封裝中，支持低等效串聯(lián)電阻（ESR）輸出電容，還包含典型的1ms軟啟動(dòng)斜坡，可有效減少浪涌電流。此外，該轉(zhuǎn)換器還具備逐周期電流限制、打嗝模式短路保護(hù)和熱關(guān)斷等保護(hù)功能，在輕載運(yùn)行時(shí)會(huì)進(jìn)入脈沖跳過(guò)模式以提高效率。

二、主要特性

2.1 電壓范圍

• 輸入電壓：支持4.5V至17V的寬輸入電壓范圍，能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 輸出電壓：輸出電壓范圍為0.762V至7V，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.2 輸出能力

• 輸出電流：具備3A的連續(xù)輸出電流能力，能夠滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的供電需求。

2.3 集成特性

• 功率MOSFET：集成了72mΩ/46mΩ的功率MOSFET，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。
• 內(nèi)部補(bǔ)償電路：內(nèi)部集成補(bǔ)償電路，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 其他特性

• 低功耗：關(guān)斷電流僅為1μA（典型值），在不工作時(shí)能夠有效降低功耗。
• 軟啟動(dòng)：1ms的內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間，可減少浪涌電流對(duì)設(shè)備的沖擊。
• 開關(guān)頻率：偽固定550kHz的開關(guān)頻率，有助于降低電磁干擾。
• 保護(hù)功能：具備逐周期過(guò)流限制、熱關(guān)斷自動(dòng)恢復(fù)等保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM61131A適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括：

• 12V分布式電源總線：為分布式電源系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換。
• 工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用：如工業(yè)控制設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等。
• 白色家電：為冰箱、洗衣機(jī)等白色家電提供電源管理。
• 監(jiān)控設(shè)備：確保監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備的穩(wěn)定供電。
• 機(jī)頂盒：為機(jī)頂盒提供合適的電源。
• 通用負(fù)載點(diǎn)：滿足各種通用負(fù)載的供電需求。

四、典型應(yīng)用電路

SGM61131A的典型應(yīng)用電路相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)外部元件即可實(shí)現(xiàn)。其典型電路包括輸入電容、輸出電感、輸出電容、反饋電阻等。通過(guò)合理選擇這些元件的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。

五、引腳配置與功能

5.1 引腳配置

5.2 引腳功能說(shuō)明

• GND：作為設(shè)備的接地參考，確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行。
• SW：開關(guān)節(jié)點(diǎn)是內(nèi)部功率MOSFET的連接點(diǎn)，與輸出電感和自舉電容相連，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
• VIN：電源輸入引腳，需要使用高頻低ESR的陶瓷電容進(jìn)行去耦，以減少電源噪聲。
• FB：通過(guò)反饋電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓，電阻的選擇對(duì)輸出電壓的精度有重要影響。
• EN：使能引腳，可通過(guò)外部邏輯信號(hào)控制設(shè)備的開啟和關(guān)閉，還可以通過(guò)電阻分壓器設(shè)置輸入欠壓鎖定（UVLO）電平。
• BOOT：自舉引腳為高端驅(qū)動(dòng)器提供電源，需要連接0.1μF的陶瓷電容，以確保高端MOSFET的正常工作。

六、電氣特性

6.1 電源電流

• 工作非開關(guān)電源電流：在 (V{EN}=5V)，(V{FB}=1V) 時(shí)，典型值為340μA，最大值為550μA。
• 關(guān)斷電源電流：在 (V_{EN}=0V) 時(shí)，典型值為1μA，最大值為3.5μA。

6.2 邏輯閾值

• EN高電平輸入電壓：典型值為1.2V，最大值為1.3V。
• EN低電平輸入電壓：最小值為0.9V，典型值為1.05V。
• EN引腳到GND的電阻：在 (V_{EN}=3.3V) 時(shí)，典型值為1.2MΩ。

6.3 參考電壓

• 在 (T_{J}= +25℃) 時(shí)，參考電壓典型值為762mV，最小值為738mV，最大值為771mV。
• 在 (T_{J}=-40℃) 至 (+125℃) 范圍內(nèi)，參考電壓典型值仍為762mV，最小值為737mV，最大值為772mV。

6.4 MOSFET特性

• 高端開關(guān)導(dǎo)通電阻：典型值為72mΩ。
• 低端開關(guān)導(dǎo)通電阻：典型值為46mΩ。

6.5 電流限制

• 低端電流限制在 (V{OUT}=3.3V)，(L{1}=3.3μH)，(T_{J}= +25℃) 時(shí)，最小值為2.6A，典型值為4.0A，最大值為5.3A。

6.6 熱關(guān)斷

• 熱關(guān)斷閾值典型值為160℃。
• 熱關(guān)斷遲滯典型值為30℃。

6.7 其他特性

• 最小關(guān)斷時(shí)間：在 (V_{FB}=0.6V) 時(shí)，典型值為300ns。
• 軟啟動(dòng)時(shí)間：內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間典型值為1.0ms。
• 開關(guān)頻率：典型值為550kHz。
• 輸出欠壓保護(hù)閾值：為參考電壓的63%。
• 打嗝延遲時(shí)間：典型值為24μs。
• 打嗝重啟前時(shí)間：典型值為15ms。
• 欠壓鎖定閾值：在 (V{IN}) 上升時(shí)，典型值為4.1V，最大值為4.5V；在 (V{IN}) 下降時(shí)，最小值為3.3V，典型值為3.7V。欠壓鎖定閾值遲滯典型值為0.4V。

七、詳細(xì)工作原理

7.1 自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（ACOT）

與傳統(tǒng)的電壓模式控制（VMC）或電流模式控制（CMC）不同，ACOT控制是一種無(wú)時(shí)鐘信號(hào)的滯回模式控制。當(dāng)內(nèi)部比較器檢測(cè)到輸出電壓下降到期望輸出電壓以下時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期以相對(duì)恒定的導(dǎo)通時(shí)間脈沖開始。輸出電壓通過(guò)反饋（FB）引腳和輸出電阻分壓器進(jìn)行檢測(cè)，并與內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)反饋電壓低于放大器輸出時(shí)，比較器觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間控制邏輯，開啟高端開關(guān)。ACOT控制能夠根據(jù)輸入電壓和輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，從而在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)恒定的頻率，減少系統(tǒng)中某些敏感頻段的電磁干擾。

7.2 使能功能

EN引腳的電壓用于精確控制SGM61131A的開啟和關(guān)閉。當(dāng)EN引腳電壓超過(guò)1.2V且 (V{IN}) 超過(guò)其欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，設(shè)備開啟；當(dāng)EN電壓被外部拉低或 (V{IN}) 引腳電壓低于其UVLO閾值時(shí)，設(shè)備關(guān)閉。EN引腳不能懸空，如果 (V{IN}) 不高于17V，可以將EN引腳連接到 (V{IN}) 以開啟設(shè)備。

7.3 自舉電壓（BOOT）

為了給高端開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器供電，需要一個(gè)高于 (V{IN}) 的電壓。通過(guò)在SW和BOOT引腳之間使用0.1μF的自舉電容和內(nèi)部自舉二極管，利用自舉技術(shù)從開關(guān)節(jié)點(diǎn)提供這個(gè)電壓。該電壓在內(nèi)部進(jìn)行調(diào)節(jié)，以驅(qū)動(dòng)高端開關(guān)。建議使用X5R或X7R陶瓷電容作為 (C{BOOT})，以確保電容在溫度和電壓變化時(shí)保持穩(wěn)定。

7.4 輸出電壓編程

輸出電壓通過(guò)連接在 (V{OUT}) 和GND之間的電阻分壓器設(shè)置，分壓器連接到FB引腳。為了獲得準(zhǔn)確和熱穩(wěn)定的輸出電壓，建議使用1%或更高精度、低熱容差的電阻。輸出電壓可以通過(guò)公式 (V{OUT}=V{FB}×[frac{R{FB1}}{R{FB2}} + 1]) 計(jì)算。需要注意的是，較低的分壓器電阻值會(huì)增加損耗并降低輕載效率，因此可以考慮使用較大的電阻來(lái)提高輕載效率，底部電阻 (R{FB2}) 可以從10kΩ開始選擇。同時(shí)，如果 (R_{FB1}) 過(guò)高（> 1MΩ），F(xiàn)B引腳的泄漏電流和其他噪聲可能會(huì)影響調(diào)節(jié)器的精度和性能。

7.5 內(nèi)部電壓參考和軟啟動(dòng)

SGM61131A具有內(nèi)部0.762V參考電壓 (V{REF})，用于將輸出編程到所需水平。當(dāng)轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)（或使能）時(shí)，內(nèi)部斜坡電壓從接近0V開始上升，在1ms內(nèi)略高于0.762V。 (V{REF}) 和這個(gè)斜坡電壓中的較低值用作誤差放大器的參考。因此，這個(gè)斜坡在啟動(dòng)期間為輸出提供軟啟動(dòng)，避免了由于輸出電壓在輸出電容和負(fù)載上快速增加而導(dǎo)致的高浪涌電流。

7.6 脈沖跳過(guò)模式

當(dāng)SGM61131A在輕載下以不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）運(yùn)行時(shí)，它會(huì)進(jìn)入脈沖跳過(guò)模式，在此模式下內(nèi)部功耗顯著降低。此外，工作頻率會(huì)根據(jù)負(fù)載開始下降。通過(guò)零交叉檢測(cè)器監(jiān)測(cè)電感電流（(I{L})），當(dāng) (I{L}) 過(guò)零時(shí)，如果 (V{FB}>V{REFEA})，高端和低端MOSFET都將關(guān)閉。直到 (V{FB}) 下降到 (V_{REF_EA}) 以下并觸發(fā)新的導(dǎo)通時(shí)間脈沖，它們才會(huì)再次開啟。在這個(gè)關(guān)斷期間，所有非必要電路都將關(guān)閉，以最小化損耗，負(fù)載由輸出電容存儲(chǔ)的能量供電。當(dāng)新的導(dǎo)通脈沖觸發(fā)時(shí)，控制電路將喚醒。

7.7 過(guò)流和短路保護(hù)

SGM61131A支持過(guò)載模式。當(dāng)系統(tǒng)上電期間輸出電流持續(xù)過(guò)載時(shí)，SGM61131A將輸出最大功率，并限制低端FET開關(guān)的最大谷值電流。設(shè)備會(huì)進(jìn)行逐周期限制，以滿足系統(tǒng)的功率需求。直到設(shè)備發(fā)熱并進(jìn)入熱關(guān)斷，SGM61131A才會(huì)關(guān)閉。隨著負(fù)載持續(xù)增加，輸出電壓會(huì)下降。如果軟啟動(dòng)（SS）完成且FB電壓下降到 (V_{REF}) 的63%，打嗝電流保護(hù)模式將被激活。在打嗝模式下，調(diào)節(jié)器將關(guān)閉，通常保持15ms后再嘗試啟動(dòng)。如果過(guò)流或短路故障仍然存在，打嗝模式將重復(fù)，直到故障條件消除。打嗝模式有助于減少功耗，防止設(shè)備過(guò)熱和潛在損壞。

7.8 熱關(guān)斷

如果結(jié)溫超過(guò)160℃（典型值），設(shè)備將被迫停止開關(guān)操作。當(dāng) (T_{J}) 下降到恢復(fù)閾值以下時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)恢復(fù)。

八、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

8.1 設(shè)計(jì)要求

8.2 元件選擇

8.2.1 輸入電容選擇

輸入電容需要使用高質(zhì)量的陶瓷電容（X5R或X7R或更好的介電等級(jí)）進(jìn)行去耦。 (V{IN}) 輸入至少需要3μF的有效電容（考慮降額后）。在某些應(yīng)用中，如果SGM61131A距離輸入源超過(guò)5cm，可能還需要額外的大容量電容。輸入電容的紋波電流額定值必須大于最大輸入電流紋波。輸入電流紋波可以通過(guò)公式 (C{INRMS}=I{OUT}×sqrt{frac{V{OUT}}{V{IN}}×frac{(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}}) 計(jì)算，在本設(shè)計(jì)示例中，(I{OUT}=3A) 時(shí)，RMS輸入紋波電流為1.339A。為了支持最大輸入電壓，需要選擇至少25V電壓額定值的陶瓷電容，因此選擇兩個(gè)10μF/25V的電容用于 (V{IN})，以覆蓋所有直流偏置、熱和老化降額。輸入電容決定了調(diào)節(jié)器輸入電壓紋波，紋波可以通過(guò)公式 (Delta V{IN}=frac{I{OUT}×D×(1 - D)}{C{IN}×f{SW}}) 計(jì)算。此外，建議在 (V{IN}) 和GND引腳旁邊放置一個(gè)0.1μF的小陶瓷電容，用于高頻濾波。

8.2.2 電感選擇

通常使用公式 (L=frac{V_{INMAX}-V{OUT}}{I{OUT}×K{IND}}×frac{V{OUT}}{V{INMAX}×f{SW}}) 計(jì)算降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電感，其中 (K{IND}) 為電感電流紋波（(Delta I{L})）與最大輸出電流（(I{OUT})）的比值，通常選擇40%（(K{IND}=0.4)）。在本設(shè)計(jì)示例中，計(jì)算得到的電感值為4.03μH，考慮到緊湊應(yīng)用場(chǎng)景，選擇3.3μH的電感。電感紋波電流、RMS電流和峰值電流可以分別通過(guò)公式 (Delta I{L}=frac{V{INMAX}-V{OUT}}{L}×frac{V{OUT}}{V{INMAX}×f{SW}})、(L{RMS}=sqrt{I{OUT}^{2}+frac{Delta I{L}^{2}}{12}}) 和 (L{PEAK}=I{OUT}+frac{Delta I{L}}{2}) 計(jì)算。需要注意的是，在啟動(dòng)、負(fù)載瞬變或故障條件下，峰值電感電流可能會(huì)超過(guò)計(jì)算值，因此選擇電感飽和電流時(shí)應(yīng)高于開關(guān)電流限制，以確保安全。

8.2.3 輸出電容選擇

輸出電容和電感用于過(guò)濾PWM開關(guān)電壓的交流部分，并在期望的輸出直流電壓上提供可接受的輸出電壓紋波。此外，電容還存儲(chǔ)能量，以在負(fù)載瞬變期間維持輸出電壓調(diào)節(jié)。輸出電壓紋波（(Delta V{OUT})）取決于工作電壓、溫度（℃）下的輸出電容值及其寄生參數(shù)（ESR和ESL），可以通過(guò)公式 (Delta V{OUT}=Delta I{L}×ESR+frac{V{IN}-V{OUT}}{L}×ESL+frac{Delta I{L}}{8×f{SW}×C{OUT}}) 計(jì)算。輸出電容的電壓額定值應(yīng)選擇足夠的余量，以確保電容降額（電壓和溫度降額）不顯著。不同類型的輸出電容會(huì)影響公式中各項(xiàng)的主導(dǎo)地位，對(duì)于陶瓷輸出電容，ESR和ESL幾乎為零，輸出電壓紋波主要由電容項(xiàng)決定；對(duì)于電解輸出電容，電容值相對(duì)較高，與ESR和ESL項(xiàng)相比，公式中的第三項(xiàng)可以忽略。為了減少電壓紋