探索ADP1872/ADP1873：高性能同步降壓控制器的技術剖析與應用指南

在電子工程領域，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。ADP1872/ADP1873作為Analog Devices推出的多功能電流模式同步降壓控制器，憑借其卓越的性能和廣泛的應用場景，成為了眾多工程師的首選。本文將深入剖析ADP1872/ADP1873的技術特點、工作原理以及應用設計，為電子工程師提供全面的參考。

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一、ADP1872/ADP1873概述

1.1 產品特性

ADP1872/ADP1873具有一系列令人矚目的特性，使其在電源管理領域脫穎而出。它支持2.75V至20V的寬輸入電壓范圍，偏置電源電壓范圍為2.75V至5.5V，最低輸出電壓可達0.6V，并且提供±1.0%精度的0.6V參考電壓。此外，該控制器支持全N溝道MOSFET功率級，提供300kHz、600kHz和1.0MHz三種頻率選項，無需電流檢測電阻，還具備輕載節能模式（PSM，僅ADP1873）、電阻可編程電流檢測增益、熱過載保護、短路保護、精密使能輸入以及集成自舉二極管等功能。

1.2 應用領域

ADP1872/ADP1873適用于多種應用場景，包括電信和網絡系統、中高端服務器、機頂盒以及DSP核心電源等。其廣泛的適用性使得它在不同的電子設備中都能發揮重要作用。

二、技術原理與工作模式

2.1 工作原理

ADP1872/ADP1873采用恒定導通時間、偽固定頻率和可編程電流檢測增益的電流控制方案，結合谷底電流模式控制架構，能夠提供出色的瞬態響應、最佳穩定性和電流限制保護。在啟動過程中，控制器會對電流檢測放大器、電流檢測增益電路、軟啟動電路和誤差放大器進行偏置，通過軟啟動序列使輸出電壓以受控方式上升。

2.2 軟啟動

該控制器具備數字軟啟動電路，通過計數器在每個周期內通過固定內部電容器以1μA的增量增加電流，從而限制從高電壓輸入電源到輸出的浪涌電流。

2.3 精密使能電路

ADP1872/ADP1873采用精密使能電路，使能閾值典型值為285mV，具有35mV的遲滯。當COMP/EN引腳釋放時，誤差放大器輸出上升超過使能閾值，設備被啟用；接地該引腳則禁用設備，將電源電流降低至約140μA。

2.4 欠壓鎖定（UVLO）

UVLO功能可防止器件在極低或未定義的輸入電壓（VDD）范圍內工作，避免信號錯誤傳播到高端功率開關，從而保護輸出設備免受損壞。UVLO電平設定為2.65V（標稱值）。

2.5 熱關斷

熱關斷是一種自我保護功能，當器件的結溫超過155°C時，器件進入熱關斷狀態，關閉上下側MOSFET并禁用整個控制器，以降低IC的功耗。當結溫冷卻至低于140°C時，器件恢復工作。

2.6 編程電阻（RES）檢測電路

啟動時，RES檢測電路首先激活，通過在DRVL輸出施加0.4V參考值，識別四種可能的電阻值（47kΩ、22kΩ、開路和100kΩ），并通過內部ADC輸出2位數字代碼，為電流檢測放大器編程四種不同的增益配置。

2.7 谷底電流限制設置

ADP1872/ADP1873基于谷底電流模式控制，電流限制由下側MOSFET的RON、誤差放大器輸出電壓擺幅（COMP）和電流檢測增益三個因素決定。通過合理選擇編程電阻（RES），可以設置適當的電流檢測增益，以滿足不同應用的需求。

2.8 短路時的打嗝模式

當檢測到32次電流限制違規時，控制器進入空閑模式，關閉MOSFET 6ms，讓轉換器冷卻，然后重新啟動軟啟動過程。如果違規仍然存在，將重復空閑事件和全芯片掉電序列，直到違規消失。

2.9 同步整流

ADP1872/ADP1873采用內部下側MOSFET驅動器驅動外部上下側MOSFET，同步整流不僅提高了整體傳導效率，還確保了上側驅動器輸入處的自舉電容器得到適當充電，減少了開關損耗。

2.10 節能模式（PSM）版本（ADP1873）

ADP1873在輕載到中載電流時以不連續傳導模式（DCM）運行并進行脈沖跳躍，輸出必要的脈沖以維持輸出調節。通過板載零交叉比較器，當電感電流接近零電流線時，關閉所有上下側開關活動，進入空閑模式，從而提高輕載時的系統效率。

2.11 定時器操作

ADP1872/ADP1873采用恒定導通時間架構，通過感測高輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VOUT），生成與VIN成反比的導通時間（ton）脈沖，使開關頻率幾乎獨立于VIN和VOUT，實現偽固定頻率控制。

2.12 偽固定頻率

在穩態運行時，開關頻率保持相對恒定。在負載瞬變期間，頻率會瞬間變化，以更快地使輸出回到調節范圍內。負載增加時，開關頻率增加；負載減少時，開關頻率降低，從而實現更好的負載瞬態性能。

三、應用設計要點

3.1 反饋電阻分壓器

根據內部帶隙參考電壓（VREF = 0.6V），可以確定所需的電阻分壓器網絡，以實現特定的輸出電壓。通過選擇合適的RT和RB值，可以確定轉換器的最小輸出負載電流。

3.2 電感選擇

電感值與電感紋波電流成反比，可根據所需的紋波電流和開關頻率計算電感值。選擇電感時，應確保其飽和額定值高于峰值電流水平，并計算電感電流紋波。

3.3 輸出紋波電壓

輸出紋波電壓是直流輸出電壓在穩態時的交流分量，可根據所需的紋波誤差計算輸出電容值。

3.4 輸出電容選擇

輸出電容的主要作用是降低輸出電壓紋波，并在負載瞬變事件中協助輸出電壓恢復。可根據負載電流階躍和輸出電壓紋波要求計算輸出電容值。

3.5 補償網絡

由于ADP1872/ADP1873采用電流模式架構，需要Type II補償。通過分析轉換器在單位增益頻率下的整體環路增益，可以確定補償所需的電阻和電容值。

3.6 效率考慮

在構建直流-直流轉換器時，效率是一個重要的考慮因素。需要考慮MOSFET的參數（如VGS(TH)、RDS(ON)、QG、CN1和CN2）以及外部組件在正常開關操作中的損耗（如通道傳導損耗、MOSFET驅動器損耗、MOSFET開關損耗、體二極管傳導損耗和電感損耗）。

3.7 輸入電容選擇

選擇輸入電容的目標是減少輸入電壓紋波和高頻源阻抗，以實現可預測的環路穩定性和瞬態性能。建議使用多層陶瓷電容器（MLCC）并聯，以降低輸入電壓紋波幅度。

3.8 熱考慮

由于ADP1872/ADP1873用于高電流應用，需要謹慎考慮外部上下側MOSFET的散熱問題，以確保結溫不超過125°C。可根據器件的熱阻和功率損耗計算結溫。

四、設計示例

以一個具體的設計示例來說明ADP1872/ADP1873的應用設計過程。假設設計要求為VOUT = 1.8V，ILOAD = 15A（脈沖），VIN = 12V（典型），fsw = 300kHz。

4.1 輸入電容

計算最大輸入電壓紋波和最小輸入電容要求，選擇合適的輸入電容。

4.2 電感

確定電感紋波電流幅度，計算電感值，并選擇合適的電感。

4.3 電流限制編程

計算谷底電流，選擇合適的編程電阻（RES）以設置電流檢測增益。

4.4 輸出電容

根據負載階躍和輸出電壓偏差要求，計算輸出電容值，并選擇合適的輸出電容。

4.5 反饋電阻網絡設置

選擇合適的RB值，計算RT值。

4.6 補償網絡

計算補償網絡所需的電阻和電容值。

4.7 損耗計算

計算各種損耗，包括通道傳導損耗、體二極管傳導損耗、MOSFET開關損耗、MOSFET驅動器損耗、輸出電容損耗和電感損耗。

五、外部組件推薦

提供了不同頻率和輸入輸出條件下的外部組件推薦值，包括輸入電容、輸出電容、電感、補償電阻和電容等，方便工程師進行設計參考。

六、布局考慮

PCB布局對直流-直流轉換器的性能至關重要。優化敏感模擬和功率組件的布局可以最小化輸出紋波、保持嚴格的調節規格，并減少PWM抖動和電磁干擾。具體布局要點包括：

6.1 電壓和電流路徑配置

VIN、PGND和VOUT跡線應盡可能寬，并可能復制到多個層。過孔應主要分布在輸入和輸出電容器的正負極、Q1/Q2的源極、Q3/Q4的漏極以及電感周圍。

6.2 敏感模擬組件

敏感模擬組件應遠離嘈雜的功率部分，使用單獨的模擬接地平面，并將所有敏感模擬組件的負極連接到該平面。

6.3 旁路電容

在VDD引腳和PGND引腳之間直接安裝1μF旁路電容，在VDD引腳和GND引腳之間連接0.1μF電容。

6.4 功率部分

將VIN平面放在左側，輸出平面放在右側，主功率接地平面放在中間，以最小化電流突然停止時的磁通變化面積。

6.5 SW節點

SW節點應使用盡可能小的面積，并遠離敏感模擬電路和組件。在可能的情況下，將該焊盤復制到第2層和第3層以進行熱釋放，并消除SW節點平面下方的其他電壓和電流路徑。

6.6 差分傳感

在谷底電流模式控制下，對下側MOSFET的漏極和源極進行差分電壓讀取，連接線路應盡可能窄，并遠離其他有源設備或電壓/電流路徑。同時，在最外側輸出電容器和反饋電阻分壓器之間也應應用差分傳感。

七、典型應用電路

提供了多種典型應用電路，包括雙輸入300kHz高電流應用電路、單輸入600kHz應用電路等，為工程師提供了實際設計的參考。

八、總結

ADP1872/ADP1873作為一款高性能的同步降壓控制器，具有豐富的功能和出色的性能。通過深入了解其技術原理和應用設計要點，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，還需要根據具體需求進行合理的組件選擇和布局設計，以確保系統的最佳性能。希望本文能為電子工程師在ADP1872/ADP1873的應用設計中提供有價值的參考。

你在使用ADP1872/ADP1873的過程中遇到過哪些問題？或者你對其應用設計有什么獨特的見解？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。