基于EL7558BC的DC/DC变换器的设计与实现

摘要：对HSOP封装的EL7558BC降压型开关整流器芯片的使用特点进行了分析，给出了利用该整流器芯片设计DC/DC变换器的外围电路和设计方法。并通过实验验证了该设计方法。 关键词：DC/DC变换器；EL7558BC；开关整流器 引言 EL7558BCDC/DC变换器芯片是Elantec公司生产的内部集成了MOSFETs的低输入电压（4.5～5.5V），高输出电流（8A）的PWM整流器，效率可达94％。输出电压偏差小于1.5％。最高开关频率可达1MHz，可以设置成固定电压输出(3.5V)或者可调电压输出(1.0～3.8V)。EL7558BC具有尽可能减少外围元器件的高度集成特点，只需少量外围元器件即可工作，从而大大降低了电路板面积和设计成本，为电源设计提供了一种快速而简易的解决方案。EL7558BC同时具有过热指示及过热截止负载保护功能，用于逻辑/处理器复位及控制供电顺序的电压反馈PWRGD输出信号等。其封装形式为具有良好散热性能的28脚HSOP封装。这些优点使得EL7558BC电源芯片可以广泛应用于高性能的DSPs/FPGAs/ASICs/微处理器，PC主板，便携式电子仪器，手提电脑等许多电子设备中。 1 管脚功能和使用特点 EL7558BC封装形式如图1所示，各管脚功能如下： 脚1（FB1）电压反馈输入端1，当芯片设置为可调电压输出时（VCC2DET为低）有效； 脚2（CREF）参考电压旁路电容输入端，一般用0.1μF瓷片电容与地连接； 脚3（CSLOPE）斜坡补偿电容输入端； 脚4（COSC）内部振荡器电容输入端，电容CSLOPE与COSC比例通常为1:1.5； 脚5（VDD）PWM控制电路电源电压输入端，通常与VIN电压相同； 脚6及脚8（VIN）降压整流器电源电压输入端； 脚7，脚9－12，脚18－19（VSSP）降压整流器返回地，即电源地； 脚13（VCC2DET）接口逻辑输入端，逻辑1时芯片为3.5V固定电压输出，逻辑0时芯片为1.0～3.8V可调电压输出； 脚14（OUTEN）开关整流器输出使能端，逻辑1有效； 脚15（OT）芯片过热指示输出，通常为高，当温度超过135℃时拉低，温度降至100℃以下时恢复变高； 脚16（PWRGD）Powergood输出信号，当输出电压的误差小于预设值的%26;#177;10％时为高，否则为低； 脚17（TEST）测试脚，通常必须与VSSP连接； 脚20－23（LX）电压输出端，驱动外部的电感； 脚24（VHI）内部高端门驱动端，通过一个0.1μF的旁路电容与LX相连； 脚25（VSS）控制电路返回地，即信号地； 脚26（C2V）连接倍压电路输出，作为内部低端门驱动端； 脚27（CP）电荷泵电容的负边驱动端； 脚28（FB2）电压反馈输入端2，当芯片设置为固定电压输出时（VCC2DET为低）有效，此时输出电压为3.5V。 EL7558BCDC/DC变换器芯片具有软启动功能，而且不需要外部电容器，当芯片加电时就会完成软启动。EL7558BC具有VCC2DET功能，为IntelP54和P55微处理器提供了直接的接口。EL7558BC具有内置的电荷泵倍压电路，用于开启内部MOSFET，C5（见图1）即为电荷泵电容，D2及D3为电荷泵二极管。如果有12V电压输入，则D2及D3均可省略。 图1 EL7558BC DC/DC变换器芯片的封装形式及其典型电路 2 DC/DC变换器的设计 下面以EL7558BCDC/DC变换器芯片为例，对DC/DC变换器的设计过程进行详细说明。其典型设计电路如图1所示。 2.1 选择输出电压 EL7558BCDC/DC变换器芯片可以通过VCC2DET脚设置固定电压（3.5V）输出或者可调电压(1.0～3.8V)输出。当VCC2DET为高时为固定电压输出；当VCC2DET为低时为可调电压输出，此时要想得到不同的电压输出，可以通过反馈电阻R3及R4来调节，可调输出电压范围为1.0V至3.8V。R3及R4阻值与输出电压之间的对应关系可以近似地用式（1）表示，在这种模式下，VCC2DET管脚必须为低。 输出电压Vo=1＋(R3/R4)%26;#215;1V （1） 2.2 选择开关频率 开关频率对EL7558BC芯片的转换效率以及所需外接电感的大小都有很大的影响。频率越低，效率越高，但是所需电感的值也越大。可以通过调节连接COSC脚的电容C8来设置开关频率，可调频率最高可达1MHz，C8电容值与开关频率之间的对应关系可以近似地用式（2）表示。 开关频率fsw=0.0001/Cs（Hz） （2） 式中：C8单位为法拉F。 通过调节电容C8来改变开关频率时，连接CSLOPE脚的斜坡补偿电容C7也要做相应的调整，电容C7与C8比例通常为1:1.5。 2.3 选择输入滤波元件 EL7558BC芯片的输入端通常需要一个去耦电容和一个大容量输入电容。去耦电容C12主要作用是降低芯片输入端的高频噪声，一般采用1～10μF的瓷片电容，这个电容在布局时必须尽可能地靠近EL7558BC芯片以获得最佳效果。大容量输入电容C9的主要作用是降低输入纹波电压，在某些应用中一个10μF的去耦电容已经足够滤波而无须大容量输入电容。至于是否需要大容量输入电容，首先取决于允许的最大输入纹波电压。通常要使EL7558BC正常工作，输入纹波电压不可超过300mV。可用式（3）计算只用10μF电容时，可能出现的最大输入纹波电压，如果计算得到的值超过允许值，就要用大容量输入电容。 ΔVIN=IOUT(MAX)0.25/(10μF)（3） 式中：ΔVIN为没有大容量电容时的输入纹波电压 的最大峰峰值； IOUT（MAX）为最大的直流负载电流。 大容量输入电容的值越大越有利于降低纹波电压，而其等效串联电阻（ESR）越大却会增加纹波电压，所以，要选择容量大且ESR低的电容。式（4）给出了大容量输入电容与输入纹波电压的大致关 系。如果纹波电压还是太大，可以采用多个电容并联的方法。另外大容量输入电容的额定电压和电流也要合适。 ΔVIN′=(IOUT（MAX）0.25)/CBULKfSW+IOUT(MAX)ESRMAX（4） 式中：ΔVIN′为有大容量输入电容时的输入纹波电压的最大峰峰值； IOUT（MAX）为最大的直流负载电流；CBULK为所采用的大容量输入电容即C9； ESRMAX为大容量输入电容的最大ESR。 2.4 选择输出滤波元件 输出滤波元件的选择是DC/DC变换器设计中最关键的一环，输出滤波元件决定了电源的稳定性。重点是要选择两个元件，一个是输出电感L1，另一个是输出电容C10。影响电源稳定性的最关键参数是输出电容的ESR，电容的数据手册一般都会给出电容的最大ESR，而最小ESR通常为最大ESR的40％～60％。此外，在选择电容的时候，电容ESR的温漂也要适当考虑。 输出电感L1具有存储能量和滤去纹波两大功能，电感的选择主要是由输入、输出电压，以及开关频率决定的。电感的额定电流必须大于最大输出电流（8A），电感值的选取可以由式（5）计算得到。 LOUT=(VIN(MAX)－VOUT)（1/ΔIL）（VOUT/VIN（MAX）（1/fsW) （5） 式中：LOUT为的输出电感，即L1； VIN（MAX）为最大的输入电压； VOUT为输出电压； ΔIL为允许的最大输出电感纹波电流值，这个值通常必须小于0.8A。 电容的选择要从电容直流额定电压，电容的额定纹波电流，电源的最大输出纹波电压，电源的稳定性等四个因素去考虑。电容额定电压必须大于输出电压，一般至少要比输出电压高出10％，以控制纹波和瞬态响应。最大的电容纹波电流（即电容RMS电流）可以用式（6）计算，所选电容的额定纹波电流必须大于式（6）的计算结果。 IC(RMS,MAX)=1/根号12（VIN（MAX）-VOUT）VOUT）/VIN（MAX）LOUTsW (6) 式中：IC（RMS，MAX）为最大的电容RMS电流。 对于电源的最大输出纹波电压，首先，要确定具体应用对输出纹波电压的要求，EL7558BC芯片输出纹波电压必须限制在输出电压的2％以内。接着，利用式（7）计算允许的电容最大ESR，选择最大额定ESR小于式（7）计算值，以确保输出纹波电压符合应用要求。另外，电容ESR的温漂也必须考虑在内。 ESRMAX′=ΔV(MAX)/ΔIL(MAX) （7） 式中：ESRMAX为允许的最大输出电容ESR； ΔV（MAX）为允许的最大输出纹波电压值； ΔIL（MAX）为允许的最大输出纹波电流值，这个值通常必须小于0.8A。 可以通过多个电容并联的方法来降低ESR，提高电路的瞬态响应，不过总的ESR必须大于10mΩ，总的电容值必须大于330μF。 2.5 布局布线注意事项 在布局布线时，原则是所有的外围元器件要尽可能的靠近EL7558BC电源芯片，尤其是去耦电容和旁路电容必须布在相应的管脚附近。EL7558BC器件有两个地（模拟地和电源地），模拟地连接所有噪声敏感信号，而电源地连接有噪声的信号。两个地之间引入噪声将降低芯片的性能，尤其在大电流输出的情况下。但是，模拟地的噪声过大将会影响控制信号，所以，推荐把模拟地和电源地分开，并且两个地在一点（通常在芯片下面或者在输入或输出电容的负边）直接连接以降低两个地之间的噪声。连接反馈脚（脚1和脚28）的走线对噪声最为敏感，要尽可能地短，最好布在两个地线中间。 EL7558BC芯片的散热主要靠VSSP引脚以及芯片底部的散热焊盘。为了达到良好的散热性能，散热焊盘必须完全焊接在PCB上，如果有中间的地层时，必须通过多个过孔把地层与散热焊盘相连以提高散热效果。 3 结语 我们采用以上方法，用两块EL7558BC芯片设计了基于FPGA的MPEG4解码器芯片设计＊演示开发板的电源（输入4.5～5.5V，输出3.3～1.5V）。其中3.3V输出的设计电路如图1所示，各项指标如下： 1）输出电压校准在输入电压从4.5V到5.5V及负载电流从0到8.0A的范围内变化时，输出电压变化不超过1.0％； 2）负载瞬态响应负载电流在15μs内从0A到8A或从8A到0A突变，输出电压瞬时波动不超过120mV，波动时间不超过25μs； 3）输出电压纹波在输入电压为4.5～5.5V时，输出电压纹波峰峰值低于22mV。 4）输入电压纹波在负载为8A，输入电压为4.5～5.5V时，输入电压纹波峰峰值大约为230mV， 增大输入电容值，将C9从220μF换成470μF，输入电压纹波峰峰值降到180mV左右。 基于EL7558BC的DC/DC模块设计体现了新型的快速，简易的电源解决方案，其设计方法在目前的DC/DC变换器设计中是非常典型的，具有相当的参考价值。