基于EL7558BC的DC/DC變換器的設計與實現

摘要：對HSOP封裝的EL7558BC降壓型開關整流器芯片的使用特點進行了分析，給出了利用該整流器芯片設計DC/DC變換器的外圍電路和設計方法。并通過實驗驗證了該設計方法。

關鍵詞：DC/DC變換器；EL7558BC；開關整流器

0??? 引言

??? EL7558BCDC/DC變換器芯片是Elantec公司生產的內部集成了MOSFETs的低輸入電壓（4.5～5.5V），高輸出電流（8A）的PWM整流器，效率可達94％。輸出電壓偏差小于1.5％。最高開關頻率可達1MHz，可以設置成固定電壓輸出(3.5V)或者可調電壓輸出(1.0～3.8V)。EL7558BC具有盡可能減少外圍元器件的高度集成特點，只需少量外圍元器件即可工作，從而大大降低了電路板面積和設計成本，為電源設計提供了一種快速而簡易的解決方案。EL7558BC同時具有過熱指示及過熱截止負載保護功能，用于邏輯/處理器復位及控制供電順序的電壓反饋PWRGD輸出信號等。其封裝形式為具有良好散熱性能的28腳HSOP封裝。這些優點使得EL7558BC電源芯片可以廣泛應用于高性能的DSPs/FPGAs/ASICs/微處理器，PC主板，便攜式電子儀器，手提電腦等許多電子設備中。

1??? 管腳功能和使用特點

??? EL7558BC封裝形式如圖1所示，各管腳功能如下：

??? 腳1（FB1）??? 電壓反饋輸入端1，當芯片設置為可調電壓輸出時（VCC2DET為低）有效；

??? 腳2（CREF）??? 參考電壓旁路電容輸入端，一般用0.1μF瓷片電容與地連接；

??? 腳3（CSLOPE）??? 斜坡補償電容輸入端；

??? 腳4（COSC）??? 內部振蕩器電容輸入端，電容C_SLOPE與C_OSC比例通常為1:1.5；

??? 腳5（VDD）??? PWM控制電路電源電壓輸入端，通常與VIN電壓相同；

??? 腳6及腳8（VIN）??? 降壓整流器電源電壓輸入端；

??? 腳7，腳9－12，腳18－19（VSSP）??? 降壓整流器返回地，即電源地；

??? 腳13（VCC2DET）??? 接口邏輯輸入端，邏輯1時芯片為3.5V固定電壓輸出，邏輯0時芯片為1.0～3.8V可調電壓輸出；

??? 腳14（OUTEN）??? 開關整流器輸出使能端，邏輯1有效；

??? 腳15（OT）??? 芯片過熱指示輸出，通常為高，當溫度超過135℃時拉低，溫度降至100℃以下時恢復變高；

??? 腳16（PWRGD）??? Power good輸出信號，當輸出電壓的誤差小于預設值的±10％時為高，否則為低；

??? 腳17（TEST）??? 測試腳，通常必須與VSSP連接；

??? 腳20－23（LX）??? 電壓輸出端，驅動外部的電感；

??? 腳24（VHI）??? 內部高端門驅動端，通過一個0.1μF的旁路電容與LX相連；

??? 腳25（VSS）??? 控制電路返回地，即信號地；

??? 腳26（C2V）??? 連接倍壓電路輸出，作為內部低端門驅動端；

??? 腳27（CP）??? 電荷泵電容的負邊驅動端；

??? 腳28（FB2）??? 電壓反饋輸入端2，當芯片設置為固定電壓輸出時（VCC2DET為低）有效，此時輸出電壓為3.5V。

??? EL7558BC DC/DC變換器芯片具有軟啟動功能，而且不需要外部電容器，當芯片加電時就會完成軟啟動。EL7558BC具有VCC2DET功能，為Intel P54和P55微處理器提供了直接的接口。EL7558BC具有內置的電荷泵倍壓電路，用于開啟內部MOSFET，C₅（見圖1）即為電荷泵電容，D₂及D₃為電荷泵二極管。如果有12V電壓輸入，則D₂及D₃均可省略。

2??? DC/DC變換器的設計

??? 下面以EL7558BC DC/DC變換器芯片為例，對DC/DC變換器的設計過程進行詳細說明。其典型設計電路如圖1所示。

圖 1??? EL7558BC DC/DC變 換 器 芯 片 的 封 裝 形 式 及 其 典 型 電 路

2.1??? 選擇輸出電壓

??? EL7558BC DC/DC變換器芯片可以通過VCC2DET腳設置固定電壓（3.5V）輸出或者可調電壓(1.0～3.8V)輸出。當VCC2DET為高時為固定電壓輸出；當VCC2DET為低時為可調電壓輸出，此時要想得到不同的電壓輸出，可以通過反饋電阻R₃及R₄來調節，可調輸出電壓范圍為1.0V至3.8V。R₃及R₄阻值與輸出電壓之間的對應關系可以近似地用式（1）表示，在這種模式下，VCC2DET管腳必須為低。

??? 輸出電壓??? V_o=1＋×1V??? （1）

2.2??? 選擇開關頻率

??? 開關頻率對EL7558BC芯片的轉換效率以及所需外接電感的大小都有很大的影響。頻率越低，效率越高，但是所需電感的值也越大。可以通過調節連接COSC腳的電容C₈來設置開關頻率，可調頻率最高可達1MHz，C₈電容值與開關頻率之間的對應關系可以近似地用式（2）表示。

??? 開關頻率??? f_sw=（Hz）（2）

式中：C₈單位為法拉F。

??? 通過調節電容C₈來改變開關頻率時，連接CSLOPE腳的斜坡補償電容C₇也要做相應的調整，電容C₇與C₈比例通常為1:1.5。

2.3??? 選擇輸入濾波元件

??? EL7558BC芯片的輸入端通常需要一個去耦電容和一個大容量輸入電容。去耦電容C₁₂主要作用是降低芯片輸入端的高頻噪聲，一般采用1～10μF的瓷片電容，這個電容在布局時必須盡可能地靠近EL7558BC芯片以獲得最佳效果。大容量輸入電容C₉的主要作用是降低輸入紋波電壓，在某些應用中一個10μF的去耦電容已經足夠濾波而無須大容量輸入電容。至于是否需要大容量輸入電容，首先取決于允許的最大輸入紋波電壓。通常要使EL7558BC正常工作，輸入紋波電壓不可超過300mV。可用式（3）計算只用10μF電容時，可能出現的最大輸入紋波電壓，如果計算得到的值超過允許值，就要用大容量輸入電容。

??????????? ΔV_IN=??? （3）

式中：ΔV_IN為沒有大容量電容時的輸入紋波電壓的最大峰峰值；

????? I_OUT（MAX）為最大的直流負載電流。

??? 大容量輸入電容的值越大越有利于降低紋波電壓，而其等效串聯電阻（ESR）越大卻會增加紋波電壓，所以，要選擇容量大且ESR低的電容。式（4）給出了大容量輸入電容與輸入紋波電壓的大致關系。如果紋波電壓還是太大，可以采用多個電容并聯的方法。另外大容量輸入電容的額定電壓和電流也要合適。

??????????? ΔV_IN′=＋I_OUT（MAX）ESR_MAX??? （4）

式中：ΔV_IN′為有大容量輸入電容時的輸入紋波電壓的最大峰峰值；

????? I_OUT（MAX）為最大的直流負載電流；

????? C_BULK為所采用的大容量輸入電容即C₉；

????? ESR_MAX為大容量輸入電容的最大ESR。

2.4??? 選擇輸出濾波元件

??? 輸出濾波元件的選擇是DC/DC變換器設計中最關鍵的一環，輸出濾波元件決定了電源的穩定性。重點是要選擇兩個元件，一個是輸出電感L₁，另一個是輸出電容C₁₀。影響電源穩定性的最關鍵參數是輸出電容的ESR，電容的數據手冊一般都會給出電容的最大ESR，而最小ESR通常為最大ESR的40％～60％。此外，在選擇電容的時候，電容ESR的溫漂也要適當考慮。

??? 輸出電感L₁具有存儲能量和濾去紋波兩大功能，電感的選擇主要是由輸入、輸出電壓，以及開關頻率決定的。電感的額定電流必須大于最大輸出電流（8A），電感值的選取可以由式（5）計算得到。

??????? L_OUT=(V_IN(MAX)－V_OUT)??? （5）

式中：L_OUT為的輸出電感，即L₁；

????? V_IN（MAX）為最大的輸入電壓；

????? V_OUT為輸出電壓；

??????????? ΔI_L為允許的最大輸出電感紋波電流值，這個值通常必須小于0.8A。

??? 電容的選擇要從電容直流額定電壓，電容的額定紋波電流，電源的最大輸出紋波電壓，電源的穩定性等四個因素去考慮。電容額定電壓必須大于輸出電壓，一般至少要比輸出電壓高出10％，以控制紋波和瞬態響應。最大的電容紋波電流（即電容RMS電流）可以用式（6）計算，所選電容的額定紋波電流必須大于式（6）的計算結果。

??? I_{C（RMS，MAX）}=（6）

式中：I_{C（RMS，MAX）}為最大的電容RMS電流。

??? 對于電源的最大輸出紋波電壓，首先，要確定具體應用對輸出紋波電壓的要求，EL7558BC芯片輸出紋波電壓必須限制在輸出電壓的2％以內。接著，利用式（7）計算允許的電容最大ESR，選擇最大額定ESR小于式（7）計算值，以確保輸出紋波電壓符合應用要求。另外，電容ESR的溫漂也必須考慮在內。

??? ESR_MAX′=（7）

式中：ESR_MAX為允許的最大輸出電容ESR；

??????????? ΔV_（MAX）為允許的最大輸出紋波電壓值；

??????????? ΔI_L（MAX）為允許的最大輸出紋波電流值，這個值通常必須小于0.8A。

??? 可以通過多個電容并聯的方法來降低ESR，提高電路的瞬態響應，不過總的ESR必須大于10mΩ，總的電容值必須大于330μF。

2.5??? 布局布線注意事項

??? 在布局布線時，原則是所有的外圍元器件要盡可能的靠近EL7558BC電源芯片，尤其是去耦電容和旁路電容必須布在相應的管腳附近。EL7558BC器件有兩個地（模擬地和電源地），模擬地連接所有噪聲敏感信號，而電源地連接有噪聲的信號。兩個地之間引入噪聲將降低芯片的性能，尤其在大電流輸出的情況下。但是，模擬地的噪聲過大將會影響控制信號，所以，推薦把模擬地和電源地分開，并且兩個地在一點（通常在芯片下面或者在輸入或輸出電容的負邊）直接連接以降低兩個地之間的噪聲。連接反饋腳（腳1和腳28）的走線對噪聲最為敏感，要盡可能地短，最好布在兩個地線中間。

??? EL7558BC芯片的散熱主要靠VSSP引腳以及芯片底部的散熱焊盤。為了達到良好的散熱性能，散熱焊盤必須完全焊接在PCB上，如果有中間的地層時，必須通過多個過孔把地層與散熱焊盤相連以提高散熱效果。

3??? 結語

??? 我們采用以上方法，用兩塊EL7558BC芯片設計了基于FPGA的MPEG?4解碼器芯片設計演示開發板的電源（輸入4.5～5.5V，輸出3.3～1.5V）。其中3.3V輸出的設計電路如圖1所示，各項指標如下：

??? 1）輸出電壓校準在輸入電壓從4.5V到5.5V及負載電流從0到8.0A的范圍內變化時，輸出電壓變化不超過1.0％；

??? 2）負載瞬態響應負載電流在15μs內從0A到8A或從8A到0A突變，輸出電壓瞬時波動不超過120mV，波動時間不超過25μs；

??? 3）輸出電壓紋波在輸入電壓為4.5～5.5V時，輸出電壓紋波峰峰值低于22mV。

??? 4）輸入電壓紋波在負載為8A，輸入電壓為4.5～5.5V時，輸入電壓紋波峰峰值大約為230mV，增大輸入電容值，將C₉從220μF換成470μF，輸入電壓紋波峰峰值降到180mV左右。

??? 基于EL7558BC的 DC/DC模塊設計體現了新型的快速，簡易的電源解決方案，其設計方法在目前的DC/DC變換器設計中是非常典型的，具有相當的參考價值。