ADP1876：高性能雙輸出同步降壓PWM控制器的深度剖析

引言

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。ADP1876作為一款600 kHz雙輸出同步降壓PWM控制器，憑借其豐富的特性和廣泛的應用場景，成為眾多工程師的首選。本文將對ADP1876進行全面解析，涵蓋其特性、工作原理、應用信息以及關鍵參數設置等方面，為電子工程師在實際設計中提供有價值的參考。

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一、ADP1876特性概覽

1. 電氣特性

• 寬輸入范圍：支持2.75 V至20 V的輸入電壓，為不同電源環境提供了廣泛的適應性。
• 輸出靈活性：輸出電壓范圍為0.6 V至90% (V_{IN})，可滿足多種負載需求。
• 高輸出電流：每通道輸出電流超過25 A，能夠為高功率負載提供穩定的電力支持。
• 精準參考電壓：在 -40°C至 +85°C溫度范圍內，參考電壓精度達到±0.85%，確保了輸出電壓的穩定性。

2. 功能特性

• 線性穩壓器：集成1.5 V固定輸出的線性穩壓器，可提供150 mA的電流，適用于低功率負載。
• 相位偏移：兩通道之間有180°的相位偏移，有效降低了輸入電容需求，減少了輸入電流紋波。
• 保護功能：具備過流限制保護、熱過載保護、輸入欠壓鎖定（UVLO）等多種保護機制，提高了系統的可靠性。
• 可編程功能：支持外部可編程軟啟動、斜率補償和電流感測增益，增強了設計的靈活性。

二、工作原理

1. 整體架構

ADP1876基于固定頻率、電流模式PWM控制架構，通過感應外部低側MOSFET (R_{DSON})上的電壓降來感測電感電流（谷值電感電流）。電流感測信號經過電流感測放大器處理后，與模擬電流斜坡信號一起輸入到PWM比較器中。誤差放大器則對反饋電壓和COMP引腳產生的誤差電壓之間的誤差進行積分，從而實現對輸出電壓的精確控制。

2. 同步整流與死區時間

同步整流（低側MOSFET）通過取代異步降壓調節器中常用的肖特基二極管，提高了效率。ADP1876中的防直通電路會監測SW和DL節點，調整高低側驅動器，確保在高低側MOSFET之間實現先斷后通的開關操作，避免交叉導通或直通現象。死區時間并非固定值，取決于MOSFET的開關速度，在典型應用中，使用中等大小輸入電容（約3 nF）的MOSFET時，死區時間約為30 ns。

3. 輸入欠壓鎖定

當偏置輸入電壓 (V{IN}) 低于欠壓鎖定（UVLO）閾值時，開關驅動器保持不活動狀態；當 (V{IN}) 超過UVLO閾值時，開關開始工作。

4. 內部線性穩壓器（VCCO）

內部線性穩壓器為低 dropout 類型，可調節輸出電壓VCCO，為內部控制電路和柵極驅動器供電。它保證了超過200 mA的輸出電流能力，足以滿足典型邏輯閾值MOSFET的柵極驅動需求。VCCO始終處于活動狀態，不受EN1/EN2引腳控制。由于LDO為柵極驅動器提供電流，其輸出會受到開關過程中瞬態電流的影響，但LDO經過優化，能夠處理這些瞬態而不會出現過載故障。

5. 過壓保護

ADP1876以600 kHz的固定頻率PWM工作。當輸出短路到高于調節電壓的電壓時，控制器的占空比會進行調制，通過在關斷周期內使低側N溝道MOSFET吸收電流，將輸出穩定在預設的調節電壓。

6. 電源良好指示（PGOOD）

PGOODx引腳是一個帶有內部12 kΩ上拉電阻的開漏NMOS。在正常工作時，PGOODx內部上拉至VCCO；當反饋電壓VFB高于過壓閾值或低于欠壓閾值時，經過12 μs的延遲后，PGOODx輸出被拉至地。過壓或欠壓條件必須持續超過12 μs，PGOODx才會變為有效。此外，當檢測到熱過載條件時，PGOODx輸出也會變為有效。

7. 短路和電流限制保護

當輸出短路或輸出電流連續八個周期超過由電流限制設置電阻（ILIMx和SWx之間）設定的電流限制時，ADP1876會關閉高低側驅動器，并每10 ms重新啟動軟啟動序列，即所謂的打嗝模式。在過流或短路事件期間，SS節點通過內部1 kΩ電阻放電至零。

8. 關機控制

EN1和EN2引腳分別用于啟用或禁用ADP1876的通道1和通道2。EN1或EN2的精確使能閾值通常為0.63 V。當EN1或EN2電壓高于0.63 V時，ADP1876啟用并在軟啟動期后開始正常工作；當ENx電壓低于0.57 V時，開關和內部電路關閉。需要注意的是，EN1/EN2不能關閉VOUTLDO或VCCO，它們始終處于活動狀態。

9. 熱過載保護

ADP1876內部有溫度傳感器，當芯片結溫達到約155°C時，進入熱關斷狀態，此時轉換器、VCCO和VOUTLDO關閉，SSx通過內部1 kΩ電阻向零放電。當結溫降至135°C以下時，經過軟啟動序列后恢復正常工作。

三、應用信息

1. 獨立低壓差線性穩壓器

獨立LDO穩壓器的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，輸出固定為1.5 V，最大負載電流為150 mA。內部短路電流限制設置為約430 mA。為使LDO在規格范圍內工作，需向VIN引腳供電。當VINLDO超過輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值時，LDO啟用，具備短路保護和熱過載關機等安全特性。

2. 設置控制器輸出電壓

通過從輸出到FBx的電阻分壓器來設置輸出電壓。分壓器將輸出電壓分壓至0.6 V的FBx調節電壓，從而設定調節輸出電壓。輸出電壓可低至0.6 V，高至電源輸入電壓的90%。為保證調節電壓的精度，需合理選擇分壓器電阻值，避免因FBx引腳的輸入偏置電流影響輸出電壓準確性。

3. 軟啟動

軟啟動周期通過SS1或SS2與AGND之間的外部電容設置。軟啟動功能可限制輸入浪涌電流，防止輸出過沖。當EN1/EN2啟用時，6.5 μA的電流源開始對電容充電，當SS1/SS2電壓達到0.6 V時，達到調節電壓。軟啟動周期可通過公式 (t{ss}=frac{0.6 V}{6.5 mu A} C{ss}) 近似計算。當控制器禁用時，軟啟動電容通過內部1 kΩ下拉電阻放電。

4. 設置電流限制

電流限制比較器通過測量低側MOSFET上的電壓來確定負載電流。電流限制由ILIMx和SWx之間的外部電流限制電阻RILIM設置。電流感測引腳ILIMx向該外部電阻提供標稱50 μA的電流，產生的偏移電壓為 (R{ILIM}) 乘以50 μA。當低側MOSFET (R{DSON}) 上的壓降等于或大于該偏移電壓時，ADP1876標記電流限制事件。為確保系統能處理最大期望負載電流，需根據電感峰值電流、MOSFET的最大 (R_{DSON}) 和最小ILIM電流來設置最小電流限制。

5. 精確電流限制感測

由于MOSFET的 (R{DSON}) 在溫度范圍內可能變化超過50%，為實現精確的電流限制感測，可在低側MOSFET源極與PGNDx之間添加電流感測電阻。確保電流感測電阻的功率額定值適合應用，并根據新的電阻值計算 (R{ILIM})。

6. 設置斜率補償

在電流模式控制拓撲中，斜率補償用于防止電感電流中的次諧波振蕩，維持輸出穩定。通過在RAMPx引腳與輸入電壓之間連接電阻來實現外部斜率補償。電阻 (R{RAMP}) 可通過公式 (R{RAMP}=frac{3.6 × 10^{10} L}{A{CS} × R{DSONMAX}}) 計算，其中L為電感值，(R{DSONMAX}) 為低側MOSFET的最大導通電阻，(A{CS}) 為電流感測放大器的增益。同時，需確保流入RAMPx的電流在6 μA至200 μA之間。

7. 設置電流感測增益

電流感測放大器通過將電感峰值電流與MOSFET的 (R{DSON}) 相乘來感測外部低側MOSFET上的電壓降，并將結果放大。增益可通過連接到DLx引腳的外部電阻RCSG編程為3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。選擇電流感測增益時，需確保內部最小放大電壓（(V{CSMIN})）高于0.4 V，最大放大電壓（(V{CSMAX})）為2.1 V，同時最大VCOMP（(V{COMPMAX})）不超過2.2 V，以考慮溫度和器件間的變化。

8. 輸入電容選擇

降壓轉換器的輸入電流為脈沖波形，輸入電容需具備足夠的紋波電流額定值和較低的等效串聯電阻（ESR），以處理輸入紋波并減輕輸入電壓紋波。通常使用兩個并聯電容，一個大容量電容和一個10 μF的陶瓷去耦電容，放置在高側開關MOSFET的漏極附近。根據輸出占空比和所需的輸入紋波電壓，可計算出最小輸入電容值。

9. 輸入濾波器

通常，從輸入引腳（VIN）到AGND的0.1 μF（或更大值）旁路電容足以過濾任何不需要的開關噪聲。但根據印刷電路板（PCB）布局，可能需要在VIN引腳處添加低通濾波器。通過在VIN串聯2 Ω至5 Ω的電阻，并在VIN和AGND之間連接1 μF陶瓷電容，可有效過濾開關調節器引起的任何不需要的干擾。

10. 升壓電容選擇

為降低系統組件數量和成本，ADP1876在VCCO和BSTx之間集成了整流器（相當于升壓二極管）。選擇0.1 μF至0.22 μF的升壓陶瓷電容，為高側驅動器在開關過程中提供電流。

11. 電感選擇

輸出LC濾波器用于平滑SWx處的開關電壓。對于大多數應用，選擇電感值使電感紋波電流在最大直流輸出負載電流的20%至40%之間。同時，需確保電感的飽和電流遠高于特定設計的電感峰值電流。電感值可通過公式 (L=frac{V{IN}-V{OUT}}{f{SW} × Delta I{L}} × frac{V{OUT}}{V{IN}}) 計算。

12. 輸出電容選擇

選擇輸出大容量電容以設置所需的輸出電壓紋波。輸出電容的阻抗（包括電容阻抗、等效串聯電阻ESR和等效串聯電感ESL）乘以紋波電流即為輸出電壓紋波。根據不同類型的輸出電容（如電解電容、MLCC電容），可使用相應的公式計算輸出電容值。同時，需確保輸出電容的紋波電流額定值大于最大電感紋波電流。

13. MOSFET選擇

MOSFET的選擇直接影響DC - DC轉換器的性能。應選擇導通電阻低、柵極電荷低、熱阻低的MOSFET。對于高側MOSFET，需平衡導通損耗和開關損耗；對于低側MOSFET，應優化其導通電阻以提高效率。在功率損耗超過MOSFET額定值或需要更低電阻時，可并聯多個低側MOSFET。

14. 環路補償

ADP1876使用跨導誤差放大器來穩定外部電壓環路。在COMP和AGND之間添加RC補償器即可完成補償。通過一系列公式可計算出補償組件 (R{COMP}) 和 (C{COMP}) 的值，同時需設置 (C{C2}) 在 (frac{1}{20} × C{COMP}) 至 (frac{1}{10} × C_{COMP}) 之間。

15. 開關噪聲和過沖降低

在高速降壓調節器中，柵極、開關節點（SW）和外部MOSFET的漏極會出現高頻噪聲和電壓過沖。為減少電壓振鈴和噪聲，可在SWx和PGNDx之間添加RC緩沖器。同時，在BST1引腳添加電阻或在柵極驅動器串聯電阻也有助于減少過沖。但需注意，使用RC緩沖器會降低整體效率。

16. PCB布局指南

關于PCB布局的更多信息，可參考AN - 1119應用筆記《降壓調節器的印刷電路板布局指南：雙通道開關控制器的低噪聲設計優化》。

四、典型應用電路

文檔中給出了一個典型應用電路示例，輸入電壓范圍為10 V至14 V，輸出電壓分別為5 V和1.8 V，輸出電流均為13 A。電路中詳細列出了各個組件的參數，如電容、電感、MOSFET等，為實際設計提供了參考。

五、封裝和訂購信息

ADP1876有32引腳、5 mm × 5 mm LFCSP封裝，提供不同的溫度范圍選項。同時，還有評估板可供選擇，方便工程師進行測試和驗證。

六、總結

ADP1876作為一款高性能的雙輸出同步降壓PWM控制器，具有豐富的特性和強大的功能。通過合理設置關鍵參數，正確選擇組件，并遵循PCB布局指南，工程師可以充分發揮其優勢，設計出高效、穩定的電源管理系統。在實際應用中，還需根據具體需求進行靈活調整，以滿足不同的設計要求。希望本文能為電子工程師在使用ADP1876進行設計時提供有益的幫助。你在使用ADP1876的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。