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℃，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的设计实例

本设计实例以图1中的ISL8014为例，假定所要求的输入为Vin=5V，输出为Vo=1.8V，输出电压纹波小于18mV。设计步骤如下：

(1)确定开关频率Fs。正常的开关频率为1MHz，也可以通过同步提高开关频率，最高可达4MHz。为简单起见，这里使用1MHz。

(2)计算电感L。ΔI是流过电感的峰峰纹波电流，建议将ΔI设置为最大输出电流的30%左右。ISL8014的最大输出电流为4A，因此ΔI=1.2A。

(3)确定输出电容的等效串联电阻阻值R_ESR。

(4)建议使用的最小输出电容值为44μF。由于其R_ESR很低，陶瓷电容是一个不错的选择。每个采用0805封装的22μF电容的R_ESR为5mΩ，因此可以选择2×22μF。

(5)根据如下公式计算反馈电阻分压器，其中V_FB为规格书规定的0.8V：

(6)输入电容不太重要，C1可以定为2×22μF。

(7)接下来是PCB设计。请参考ISL8014的规格书，该规格书可从网址www.intersil.com下载。关键的PCB设计步骤包括：将IC插在电路板上；将电感器插在与IC的LX节点相邻之处；将C2插在与电感器L另外一端及IC的PGND管脚相邻之处；将C1插在IC的VIN管脚旁边；将R3插在SGND和V_FB管脚旁边；将R2和C3插在R3旁边；在IC的电源焊盘之下打6个左右的过孔，以便散热；打约4个过孔，以便将PGND分别与C1和C2连接；以PGND连线填充第二层。ISL8014的PCB设计图见图5。

图5：PCB设计图。

本文小结

Intersil的集成化FET稳压器拥有众多的特性和功能选择，使其更易于使用，在采用内置环路补偿时，情况尤其如此。本文列出了在低输入电压应用中建议采用的输出电感和电容，还讨论了简洁的设计步骤和版图设计。通过这些简单的步骤，大多数设计人员可以得到所需要的结果。对于采用外接补偿的集成FET，其规格书中几乎都会附有具体而详细的分析。

表1：Intersil的集成化FET DC/DC转换器的特性。