LM2717型雙降壓直流/直流變換器的原理及應(yīng)用
關(guān)鍵詞：LM2717；PWM；DC/DC變換器；設(shè)計(jì)
1 引言
LM2717是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款全新的高性能DC/DC變換器，內(nèi)含2個(gè)降壓脈寬調(diào)制(PWM)直流/直流變換器，其中一個(gè)專門用來(lái)提供固定輸出3.3 V電壓，另一個(gè)專門用來(lái)提供可調(diào)輸出電壓。2個(gè)變換器都設(shè)有導(dǎo)通電阻(RDSON)只有0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)，確保轉(zhuǎn)換效率最高，工作頻率可以在300 kHz~600 kHz調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以采用較小巧的外部元件。每個(gè)變換器也可以用其關(guān)閉引腳單獨(dú)關(guān)閉。該電路可廣泛應(yīng)用于薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)、測(cè)控裝置、便攜式產(chǎn)品和膝上電腦。
LM2717的主要特性如下：
3.3 V固定輸出降壓變換器，內(nèi)有一個(gè)電流為2.2 A、電阻為0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)；
可調(diào)降壓變換器有一個(gè)電流為3.2 A、電阻為0.16 Ω的內(nèi)部開關(guān)；
工作輸入電壓范圍是4 V～20 V；
低電壓輸入保護(hù)；
可調(diào)工作頻率范圍為300 kHz-600 kHz；
24引腳TSSOP封裝。
2 引腳功能
如圖1所示為L(zhǎng)M2717的引腳排列，各個(gè)引腳的基本功能如下：
PGND(1，2，11，12)：電源地，AGND和PGND必須直接連在一起。
AGND(3,9，10)：模擬地，AGND和PGND必須直接連在一起。
FBl(4)：固定降壓輸出電壓的反饋輸入端。
VC1(5)：固定降壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。
VVG(6)：帶隙連接端。
VC2(7)：可調(diào)降壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接引腳，接至電壓誤差放大器的輸出端。
FB2(8)：可調(diào)降壓輸出電壓的反饋輸入端。
SW2(13)：可調(diào)降壓電源開關(guān)輸入端。開關(guān)連接在VIN引腳和SW2引腳之間。
VIN(14，15,23)：模擬電源輸入端。VIN引腳應(yīng)該直接連在一起。
CB2(16)：可調(diào)降壓變換器自舉電容器連接引腳。
SHDN2(17)：可調(diào)降壓變換器的關(guān)閉引腳。低電壓時(shí)激活。
SS2(18)：可調(diào)降壓軟啟動(dòng)引腳。
FSLCT(19)：轉(zhuǎn)換頻率選擇輸入端。利用一只電阻器可在300 kHz~600 kHz范圍內(nèi)設(shè)置頻率。
SSI(20)：固定降壓軟啟動(dòng)引腳。
SHDNl(21)：固定降壓變換器的關(guān)閉引腳。低電壓時(shí)激活。
CBl(22)：固定降壓變換器自舉電容器連接引腳。
SWl(24)：固定降壓電源開關(guān)輸入端。開關(guān)連接在VIN引腳和SWl引腳之間。
3 工作原理
圖2所示為L(zhǎng)M2717的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。該器件有專門的保護(hù)電路，正常工作時(shí)，該電路對(duì)LM2717具有保護(hù)功能。當(dāng)器件溫度過高時(shí)，熱關(guān)閉電路會(huì)切斷電源。OVP比較器在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間保護(hù)電源裝置，防止器件在最小輸入電壓下工作。OVP比較器被用來(lái)防止輸出電壓在沒有負(fù)載情況下上升，允許在滿載條件下的全脈寬調(diào)制(PWM)。當(dāng)電源電流達(dá)到10μA時(shí)，該器件會(huì)使變換器工作在關(guān)閉模式。
該器件內(nèi)含電流模式的脈寬調(diào)制降壓調(diào)節(jié)器。降壓調(diào)節(jié)器逐步把輸入電壓降低為一個(gè)較低的輸出電壓。在導(dǎo)通模式下(當(dāng)電感電流在穩(wěn)定狀態(tài)下恒不為零時(shí))，降壓調(diào)節(jié)器有兩個(gè)工作周期。電源開關(guān)連接在VIN和SWl、SW2引腳之間。
在第一個(gè)工作周期里，晶體管關(guān)斷，二極管反向偏置。能量貯存在電感中，負(fù)載電流由COUT和通過電感增加的電流提供。在第二個(gè)工作周期中，晶體管導(dǎo)通，二極管正向偏置，由于電感電流不能瞬間改變方向。貯存在電感中的能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載和輸出電容器。這兩個(gè)周期的比率確定輸出電壓，輸出電壓可近似地定義為：
式中，D是開關(guān)的占空因數(shù)，D和D’為設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要。
4 應(yīng)用設(shè)計(jì)
圖3所示是LM2717的典型應(yīng)用電路。圖中，VIN是整個(gè)應(yīng)用電路的電壓輸入端，VOUT1是固定降壓變換器的電壓輸出端，VOUT2是可調(diào)降壓變換器的電壓輸出端。CIN、Coot、CSS、CBOOT、L分別是輸入電容器、輸出電容器、軟啟動(dòng)電容器、自舉電容器、電感，這幾個(gè)元件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。這里主要介紹利用該電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一些主要外元件的選擇原則及需注意的問題。
4.1 外部元件的選擇
輸出電壓是依據(jù)反饋引腳和連接到輸出端的電阻分壓器設(shè)計(jì)的，如圖3所示。反饋引腳的電壓是1.26 V，因此根據(jù)式(2)，由反饋電阻比來(lái)設(shè)計(jì)輸出電壓：
輸入電容器的選擇。在輸入引腳和電源地之間需接一只低ESR(等效電阻)的鋁、鉭或者陶瓷輸入電容器CIN該輸入電容器可防止輸入端產(chǎn)生瞬時(shí)大電壓。輸入電容器的選擇是基于RMS電流和電壓要求。
RMS電流由下式給出：
當(dāng)輸入電壓VIN等于2VOUT時(shí)，RMS電流達(dá)到最大值(IOUT/2)。應(yīng)該對(duì)兩個(gè)變換器分別計(jì)算該值，然后相加得到總RMS電流。如果使用鋁或陶瓷電容器來(lái)說，電壓應(yīng)至少高于輸入電壓最大值的25％。如果使用的是鉭電容器，需要電壓大約是輸入電壓最大值的2倍。對(duì)于較低的負(fù)載電流輸出應(yīng)用和較少的動(dòng)態(tài)(快速變化)負(fù)載環(huán)境來(lái)說，最小電容值應(yīng)為47 μF。因此在這種應(yīng)用中，推薦使用一只68μF-100μF的低ESR電容器。推薦在輸入引腳和接地引腳之間放置一只O.1 μF~4.7 μF電容器，以減少高頻毛刺。
電感的關(guān)鍵參數(shù)是電感系數(shù)、峰值電流和直流阻抗。電感系數(shù)與電感波紋電流峰-峰值、輸入電壓以及輸出電壓有關(guān)(工作頻率是300kHz)。即：
較高的波紋電流能減小電感系數(shù)，但是會(huì)增加電感和開關(guān)裝置的電導(dǎo)損耗、核損耗和電流壓力。對(duì)于同樣輸出電壓波紋要求,則需要一只大容量的輸出電容器。波紋電流設(shè)置為直流輸出電流的30％是合理的。因?yàn)椴y電流會(huì)隨著輸入電壓增加而增加,最大輸入電壓會(huì)削弱電感系數(shù)。電感的直流阻抗是效率的一個(gè)主要參數(shù)。較低的直流阻抗可利用一個(gè)較大的線圈實(shí)現(xiàn)。效率和尺寸大小之間的良好折衷方案為電感銅損耗等于輸出電壓的2％。
輸出電容器(CONT)的選擇受最大允許輸出電壓波紋影響。輸出電壓波紋在固定頻率脈寬調(diào)制模式下近似值為：
ESR在決定電壓波紋時(shí)通常起著支配的作用。推薦使用低ESR的鋁電解電容器或鉭電容器。溫度低于-25℃時(shí)不要使用電解電容器，因?yàn)樗腅SR低溫下會(huì)極快的上升。而陶瓷或鉭電容器則在低溫時(shí)具有較好的ESR，因此在低溫應(yīng)用中首選陶瓷或鉭電容。
自舉電容器推其使用4.7 nF或者較大的陶瓷電容器。對(duì)于輸入電壓小于2倍的輸出電壓的應(yīng)用,推薦采用更大的自舉電容器。
該器件無(wú)允許快速啟動(dòng)的內(nèi)部軟啟動(dòng)，但是也會(huì)產(chǎn)生大的浪涌電流。因此，對(duì)于需要降低浪涌電流的應(yīng)用，該器件有限制DC/DC轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器啟動(dòng)時(shí)浪涌電流的電路。浪涌電流限制電路可作為軟啟動(dòng)。外部的SS引腳用來(lái)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)的特殊應(yīng)用。電流ISS影響外部軟啟動(dòng)電容器CSS，軟啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算為：
該器件的關(guān)閉引腳可以用1.8 V或者更高的邏輯信號(hào)進(jìn)行控制。如果不使用引腳的關(guān)閉功能，則應(yīng)斷開該引腳。關(guān)閉引腳的最大電壓為7.5 V。如果由于系統(tǒng)或者其他方面的限制，關(guān)閉引腳需要使用更高的電壓，則推薦在應(yīng)用電壓引腳和關(guān)閉引腳之間接一只100 kΩ或者更大阻值的電阻器來(lái)保護(hù)該功能。
4.2 需注意的問題
該器件有兩個(gè)獨(dú)立的接地引腳，PGND用于驅(qū)動(dòng)器和升壓式NMOS電源裝置，AGND可靈敏模擬控制電路。AGND和PGND引腳應(yīng)該直接連在一起。反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該直接連接到一個(gè)專門模擬地層，這個(gè)模擬地層必須連接至AGND引腳。如果沒有模擬地層，反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須直接連接至AGND引腳。而將這些網(wǎng)絡(luò)連接到PGND引腳會(huì)給系統(tǒng)增加噪聲。輸入旁路電容器CIN必須盡量靠近該器件放置，如圖3所示。這有助予減少影響輸入電壓波紋的銅線阻抗。為了濾除額外輸入電壓，應(yīng)將一只0.1μF~4.7μF的旁路電容器與CIN并聯(lián)，盡量靠近VIN引腳，以抑制任何高頻噪聲。輸出電容器COUT1和COUT2也應(yīng)該靠近LM2717放置。對(duì)輸出電容器COUTX的銅線連接能夠增加連續(xù)阻抗，直接影響輸出電壓波紋。反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻器RFB1和RFB2應(yīng)該盡量靠近FB引腳放置，遠(yuǎn)離電感，使增加系統(tǒng)噪聲的銅線連接最短。電感和肖特基二極管的布線應(yīng)該最短，以減少電源損耗并提高總體效率。
5 結(jié)束語(yǔ)
輸出電壓可調(diào)節(jié)的電源分配結(jié)構(gòu)可以為系統(tǒng)的特殊應(yīng)用集成電路及數(shù)字信號(hào)處理器提供穩(wěn)壓電源。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司這款全新的雙通道降壓型DC/DC變換器不但具有高度的靈活性，而且性能卓越，是負(fù)載點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用的理想解決方案。
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