ADP2138/ADP2139：緊湊型800mA、3MHz降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的技術剖析

在電子設備的電源管理領域，高效、緊湊的DC - DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標。今天我們要深入探討的ADP2138/ADP2139就是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，它為眾多電子設備的電源設計提供了理想的解決方案。

文件下載：ADP2138.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADP2138和ADP2139是高效率、低靜態(tài)電流的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。ADP2139還具備內(nèi)部放電開關這一額外特性。整個解決方案僅需三個微小的外部組件，大大節(jié)省了電路板空間。

1. 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持2.3V至5.5V的輸入電壓，能適配單鋰或鋰聚合物電池、多節(jié)堿性或鎳氫電池、PCMCIA、USB等多種標準電源。
• 高轉(zhuǎn)換效率：峰值效率可達95%，能有效降低功耗，延長設備的電池續(xù)航時間。
• 低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流僅23μA，關機電流超低，典型值為0.2μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 小封裝尺寸：采用6引腳、1mm × 1.5mm的WLCSP封裝，非常適合對空間要求較高的應用。
• 快速響應：具有快速的負載和線路瞬態(tài)響應能力，能及時應對負載變化。
• 多種工作模式：支持強制PWM和自動PWM/PSM模式，可根據(jù)負載情況靈活切換，提高輕載效率。
• 保護功能完善：具備過流和熱關斷保護功能，保障芯片在異常情況下的安全。

2. 應用領域

該轉(zhuǎn)換器廣泛應用于各類電子設備，如PDA和掌上電腦、無線手持設備、數(shù)字音頻和便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機以及GPS導航單元等。

二、技術規(guī)格詳解

1. 電氣參數(shù)

2. 輸入輸出電容規(guī)格

為了保證轉(zhuǎn)換器的性能，對輸入和輸出電容有一定的要求。最小輸入和輸出電容值為4.7μF，電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）范圍為0.001Ω至1Ω。

3. 絕對最大額定值

三、工作原理

1. 控制方案

ADP2138/ADP2139采用固定頻率、電流模式PWM控制架構。在中高負載時，以PWM模式工作，通過調(diào)整集成開關的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)高效率；在輕負載時，切換到節(jié)能模式（PSM），以降低調(diào)節(jié)功率損耗。

2. PWM模式

在PWM模式下，芯片以3MHz的固定頻率工作。每個振蕩周期開始時，PFET開關導通，在電感上施加正電壓，電感電流增加；當電流檢測信號超過峰值電感電流閾值時，PFET開關關斷，NFET同步整流器導通，電感電流減小。通過調(diào)整峰值電感電流閾值來調(diào)節(jié)輸出電壓。

3. 節(jié)能模式（PSM）

當負載電流低于節(jié)能模式電流閾值（100mA）時，芯片平滑過渡到PSM模式。此時，PWM調(diào)節(jié)電平產(chǎn)生偏移，使輸出電壓上升；當輸出電壓達到比PWM調(diào)節(jié)電平高約1.5%時，PWM操作停止，兩個功率開關均關斷，芯片進入空閑模式。輸出電容放電，當輸出電壓降至PWM調(diào)節(jié)電壓時，芯片再次驅(qū)動電感使輸出電壓上升。只要負載電流低于閾值，這個過程就會重復。

4. 使能/關機

當EN引腳從邏輯低電平切換到邏輯高電平時，芯片啟動軟啟動并開始工作；將EN引腳拉低，芯片進入關機模式，關機電流降至典型值0.2μA。

5. 保護功能

• 短路保護：采用頻率折返機制，當反饋引腳電壓低于目標輸出電壓的一半時，表明輸出可能出現(xiàn)硬短路，此時開關頻率降低到內(nèi)部振蕩器頻率的一半，防止輸出電流失控。
• 欠壓鎖定：集成了欠壓鎖定（UVLO）電路，當輸入電壓低于2.15V的UVLO閾值時，芯片關機，功率開關和同步整流器均關斷；當電壓上升超過閾值時，啟動軟啟動，芯片重新啟用。
• 熱保護：當芯片結溫超過150°C時，熱關斷電路將轉(zhuǎn)換器關閉。為避免頻繁開關，設置了20°C的遲滯，即結溫降至130°C以下時，芯片才會重新啟動，并再次進行軟啟動。
• 軟啟動：內(nèi)部軟啟動功能可在啟動時以受控方式提升輸出電壓，限制浪涌電流，防止連接電池或高阻抗電源時可能出現(xiàn)的輸入電壓下降。
• 電流限制：芯片具備保護電路，限制通過PFET開關和同步整流器的正電流，防止電流過大；同時設置負電流限制，防止電感電流反向流出負載。
• 100%占空比操作：當VIN下降或ILOAD增加，即使PFET開關100%導通，VOUT仍低于期望輸出電壓時，芯片平滑過渡到PFET開關一直導通的模式；當輸入條件改變，所需占空比下降時，芯片立即重新啟動PWM調(diào)節(jié)，避免VOUT出現(xiàn)過沖。
• 放電開關（ADP2139）：ADP2139集成了一個典型值為100Ω的開關電阻，當EN引腳變?yōu)榈碗娖交蛐酒M入欠壓鎖定或熱關斷狀態(tài)時，用于對輸出電容進行放電，放電時間通常為200μs。

四、應用信息

1. ADIsimPower設計工具

ADP2138/ADP2139得到了ADIsimPower設計工具集的支持。該工具集可根據(jù)特定設計目標生成完整的電源設計，包括原理圖、物料清單，并能在幾分鐘內(nèi)計算性能。用戶可以通過該工具優(yōu)化設計，考慮IC和外部組件的工作條件及限制，以實現(xiàn)成本、面積、效率和零件數(shù)量的最佳平衡。更多信息可訪問https://www.analog.com/ADIsimPower 。

2. 外部組件選擇

• 電感：由于ADP2138/ADP2139的開關頻率較高，可選擇小尺寸的片式電感。建議電感值在0.7μH至3μH之間，推薦的電感型號如Murata的LQM2MPN1R0NG0B、Taiyo Yuden的CBMF1608T1R0M等。電感的峰值 - 峰值電流紋波可通過公式 (I{RIPPLE}=frac{V{OUT} times (V{IN}-V{OUT})}{V{IN} × f{SW} × L}) 計算，電感的最小直流電流額定值應大于電感峰值電流，峰值電流可通過公式 (I{PEAK}=I{LOAD(MAX)}+frac{I_{RIPPLE}}{2}) 計算。為降低電感傳導損耗和電磁干擾，建議使用屏蔽鐵氧體磁芯材料。
• 輸出電容：較高的輸出電容值可降低輸出電壓紋波，改善負載瞬態(tài)響應。選擇電容時，需考慮輸出電壓直流偏置對電容值的影響。推薦使用X5R或X7R電介質(zhì)、電壓額定值為6.3V或10V的陶瓷電容，不建議使用Y5V和Z5U電介質(zhì)的電容。有效電容值可通過公式 (C{EFF}=C{OUT} times (1 - TEMPCO) times (1 - TOL)) 計算，其中TEMPCO為最壞情況下的電容溫度系數(shù)，TOL為最壞情況下的組件公差。輸出電壓紋波可通過公式 (V{RIPPLE}=I{RIPPLE} times (ESR{COUT}+1 / (8 × f{SW} × C_{OUT}))) 計算，建議選擇等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的電容以降低輸出紋波。
• 輸入電容：較大的輸入電容值有助于降低輸入電壓紋波，改善瞬態(tài)響應。最大輸入電容電流可通過公式 (I{CIN} geq I{LOAD(MAX)} sqrt{frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}}) 計算。為減少電源噪聲，應將輸入電容盡可能靠近ADP2138/ADP2139的VIN引腳放置，同樣建議使用低ESR電容。

3. 熱考慮

雖然ADP2138/ADP2139效率較高，內(nèi)部功耗較小，但在高環(huán)境溫度、低電源電壓、高占空比且負載最大的應用中，芯片封裝內(nèi)的散熱可能導致結溫超過125°C的最大結溫。當結溫超過150°C時，轉(zhuǎn)換器進入熱關斷狀態(tài)，結溫降至130°C以下時恢復工作。結溫可通過公式 (T{J}=T{A}+T{R}) 計算，其中 (T{R}=theta{JA} × P{D}) ，(T{J}) 為結溫，(T{A}) 為環(huán)境溫度，(T{R}) 為封裝因功耗導致的溫度上升，(theta{JA}) 為結到環(huán)境的熱阻，(P_{D}) 為封裝內(nèi)的功耗。

4. PCB布局指南

良好的PCB布局對于ADP2138/ADP2139的性能至關重要。布局不當可能導致EMI、電磁兼容性問題、接地反彈和電壓損失，還會影響調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性。以下是一些布局規(guī)則：

• 將電感、輸入電容和輸出電容靠近IC放置，使用短走線，因為這些組件承載高開關頻率，大走線會像天線一樣產(chǎn)生干擾。
• 輸出電壓路徑應遠離電感和SW節(jié)點，以減少噪聲和磁干擾。
• 最大化組件側(cè)的接地金屬面積，有助于散熱。
• 使用帶有多個過孔連接到組件側(cè)接地的接地平面，進一步降低敏感電路節(jié)點的噪聲干擾。

五、評估板與訂購信息

1. 評估板

ADP2138/ADP2139提供了評估板，方便工程師進行測試和驗證。評估板的原理圖和布局圖可幫助工程師更好地了解芯片的應用。

2. 訂購指南

ADP2138/ADP2139有多種型號可供選擇，輸出電壓選項包括0.8V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。所有型號均采用6球晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP），工作溫度范圍為 - 40°C至+125°C，包裝數(shù)量為每卷3000個。

總之，ADP2138/ADP2139以其高效、緊湊、功能豐富的特點，為電子工程師在電源設計中提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部組件，并遵循正確的PCB布局規(guī)則，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用ADP2138/ADP2139的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。