SGM6626：高性能非同步升壓轉換器的設計與應用

在電子設計領域，升壓轉換器是常見且關鍵的元件，它能將低電壓轉換為高電壓，滿足不同電路的需求。SGM6626作為一款高性能的非同步升壓轉換器，具有諸多獨特的特性和優勢，下面就為大家詳細介紹。

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一、SGM6626概述

SGM6626是SGMICRO推出的一款高壓非同步升壓轉換器，集成了24V功率MOSFET，支持低至2.5V的輸入電壓。它有700kHz或1.35MHz的固定開關頻率可供選擇，通過引腳即可輕松切換，這種設計便于濾波且能降低噪聲。同時，COMP引腳能讓用戶使用小電容靈活設置環路動態。此外，該器件還具備過流保護、SW過壓保護、軟啟動、欠壓鎖定（UVLO）和熱關斷等內置功能，采用綠色MSOP - 8封裝。

二、特性亮點

1. 寬電壓范圍

輸入電壓低至2.5V，輸出電壓高達24V，能適應多種不同的電源環境和負載需求。

2. 靈活的開關頻率

可通過引腳選擇700kHz或1.35MHz的固定開關頻率。較高的開關頻率能改善負載瞬態響應，降低輸出紋波電壓，但效率會略有降低；較低的開關頻率則在輕載時能提高效率。

3. 高效性能

在 (V{IN}=5V)，(V{OUT}=12V) 且 (I_{OUT}=0.2A) 的條件下，效率可達94%，能有效降低功耗。

4. 集成度高

集成了低側功率MOSFET，減少了外部元件的使用，簡化了電路設計。

5. 保護功能完善

具備過流保護、過壓保護、欠壓鎖定和熱關斷等功能，能有效保護器件和電路，提高系統的穩定性和可靠性。

三、應用領域

SGM6626適用于多種便攜式應用，如小型LCD顯示器、手持計算機和PDA、數碼相機和攝像機等。這些設備通常對電源的體積、效率和穩定性有較高要求，SGM6626正好能滿足這些需求。

四、典型應用電路及參數設計

1. 典型應用電路

其典型應用電路包含輸入電容、輸出電容、電感、二極管、反饋電阻等元件。通過合理選擇這些元件的參數，能實現穩定的升壓輸出。

2. 輸出電壓設置

SGM6626支持最高24V的輸出電壓，可通過連接到FB引腳的電阻分壓器來配置輸出電壓。計算公式為 (R{1}=frac{(V{OUT}-V{FB})×R{2}}{V{FB}})，為簡化設計，推薦 (R{2}) 取10kΩ。例如，當 (R{1}) 為54kΩ時，輸出電壓可配置為8V。較小的 (R{1}) 和 (R_{2}) 值能提高抗噪能力，而較大的值則能降低靜態電流，有利于輕載效率。

3. 軟啟動電容選擇

為防止啟動時產生過大電流，SGM6626設有軟啟動定時器。通過在SS引腳連接外部電容，并以恒定電流充電，可緩慢提升升壓轉換器的內部電流限制。軟啟動周期 (t{ss}) 由公式 (t{ss}=75×C{4}) 確定（(C{4}) 為從SS到GND的軟啟動電容，單位為nF；(t{ss}) 單位為μs），也可通過 (C{4}=0.0133×t_{ss}) 計算所需電容值。

4. 輸入電容選擇

建議使用低ESR陶瓷電容，以實現良好的輸入電壓濾波和噪聲限制。至少應在IC的IN到GND之間靠近IC處放置一個0.1μF的旁路電容，大多數應用中，一個10μF的陶瓷輸入電容就足夠了。若SGM6626離輸入電源較遠，推薦使用47μF或更高電容值的電容來抑制線束電感。

5. 輸出電容選擇

輸出電容決定了輸出電壓紋波和負載瞬態響應。可通過公式 (C{2} approx frac{(1 - frac{V{IN}}{V{OUT}})×I{LOAD}}{V{RIPPLE}×f{SW}}) 估算所需電容值。由于陶瓷電容存在直流偏置特性，需參考制造商的數據手冊，確保在所需輸出電壓下有足夠的有效電容。大多數應用推薦使用4.7μF至22μF的電容。使用鉭或鋁電解電容時，需考慮ESR，輸出紋波計算公式為 (V{RIPPLE} approx frac{(1 - frac{V{IN}}{V{OUT}})×I{LOAD}}{C{2}×f{SW}}+frac{I{LOAD}×R{ESR}×V{OUT}}{V{IN}})。

6. 電感選擇

電感是SGM6626升壓轉換器設計中最關鍵的元件，它影響著穩態運行、瞬態響應和環路穩定性。對于大多數1.35MHz的應用，推薦使用4.7μH的電感；對于700kHz的應用，推薦使用10μH的電感。設計時需考慮電感的標稱電感值、直流電阻（DCR）、飽和電流和最大RMS電流等參數。電感的峰 - 峰紋波電流 (Delta I{L}=frac{V{IN}×(V{OUT}+V{F}-V{IN})}{L×(V{OUT}+V{F})×f{SW}})，建議選擇峰 - 峰紋波電流在電感最大直流電流的30% - 40%范圍內，這樣能在電感磁芯和轉換器傳導損耗（由于交流紋波）以及電感尺寸之間取得良好的平衡。電感直流電流可通過 (I_{INDC}=frac{V{OUT}×I{OUT}}{V{IN}×eta}) 計算（(eta) 為轉換器效率）。

7. 肖特基二極管選擇

外部整流二極管的選擇對器件性能至關重要。推薦使用高速、低正向壓降的二極管以提高效率，二極管的平均電流額定值應高于峰值負載，所選二極管的擊穿電壓應高于最大輸出電壓（24V）并有一定余量。為實現更小的尺寸和更低的成本，可使用額定電壓較低的肖特基二極管。

8. 環路補償

SGM6626使用跨導誤差放大器（COMP）來補償反饋環路，通過外部電阻和電容進行頻率補償。由于采用了電流反饋，消除了LC濾波器的諧振，功率級傳遞函數的相位延遲大大減少，補償變得更加容易。設計電流模式升壓轉換器的環路需要使用Type II補償器，它能提供一個原點極點、一個極點和一個零點，有助于實現高直流增益、良好的直流調節和低頻線路注入。確定極點和零點涉及 (R{LOAD})、(R{3})、(C{2}) 和 (C{3}) 四個元件，具體計算公式為 (f{P1}=frac{1}{pi×C{2}×R{LOAD}})，(f{P2}=frac{G{EA}}{2pi×C{3}×A{VEA}})，(f{z1}=frac{1}{2pi×C{3}×R{3}})（(R{LOAD}) 為負載電阻，(G{EA}) 為誤差放大器跨導，(A{VEA}) 為誤差放大器電壓增益）。直流環路增益 (A{VDC}=frac{1.85×A{VEA}×V{IN}×R{LOAD}×V{FB}}{V{OUT}^{2}})，右半平面零點 (f{RHPZ}=frac{V{IN}^{2}×R{LOAD}}{2pi×L×V{OUT}^{2}})。可參考表3選擇合適的補償網絡，以獲得更好的負載瞬態響應。為了更快的響應時間，可以適當增大 (R{3}) 值以擴展帶寬，同時略微減小 (C_{3}) 值以保持足夠的相位裕度，但這些調整需結合SGM6626的負載瞬態響應監測進行。

五、性能特點

1. 電氣特性

在不同的輸入電壓、溫度等條件下，SGM6626具有明確的電氣參數，如工作輸入電壓范圍為2.5V - 22V，欠壓鎖定電壓為2.15V - 2.45V等，這些參數為電路設計提供了準確的參考。

2. 典型性能曲線

包括重負載紋波、輕負載紋波、負載瞬態、啟動波形、靜態電流與溫度關系、反饋電壓與溫度關系、頻率與溫度關系、效率與負載電流關系、輸出電壓與輸入電壓關系、輸出電壓與負載電流關系等曲線，能幫助工程師更好地了解器件在不同工作條件下的性能表現。

六、功能保護機制

1. 欠壓鎖定

SGM6626集成了VIN欠壓鎖定（UVLO）功能，能防止輸入電壓低于 (V{UVLO}) 時器件誤操作，其滯回電壓為100mV（典型值）。當輸入電壓上升超過 (V{UVLO}) 時，器件會重新啟動。

2. 使能和軟啟動

當輸入電壓有效時，將EN輸入拉至邏輯高電平可使能器件，器件開始工作并將參考電壓提升至1.25V（典型值）。通過軟啟動定時器可減少啟動時的浪涌電流，軟啟動時間可通過外部電容編程。將EN拉至邏輯低電平可關閉SGM6626，此時開關和所有控制電路關閉，器件電流降至0.1μA（典型值）。

3. 過壓保護

過壓保護電路可防止因輸出電阻分壓器斷開而損壞IC。SGM6626在每個開關周期監測SW引腳電壓，當SW引腳電壓連續8個周期超過 (V_{OVP}) 閾值（25.3V，典型值）時，器件會關閉開關FET并停止工作，等待5.5ms后嘗試軟重啟。

4. 過流保護

SGM6626具有固有過流保護功能，當峰值電流達到2A（典型值）的電流限制閾值時，低側MOSFET關閉，直到下一個時鐘周期才會再次開啟。

5. 熱關斷

當結溫超過156℃（典型值）時，內部熱關斷保護會關閉器件，當結溫下降至少20℃（典型值）時，器件將恢復工作。

6. 脈沖跳過模式

在輕載時，SGM6626集成了脈沖跳過模式。當出現輕載情況時，COMP電壓自然下降，降低峰值電流。當COMP電壓隨著負載降低進一步下降并達到預設的低閾值時，誤差放大器的輸出被鉗位在該閾值，不再下降。如果負載進一步降低，SGM6626的輸出電壓超過標稱電壓，器件會跳過開關周期，通過降低平均開關頻率來減少開關損耗，提高輕載效率。

七、PCB布局注意事項

布局對于開關模式電源的性能至關重要，特別是對于高開關頻率和高電流的轉換器。不良的布局可能導致系統不穩定、EMI故障和器件損壞。因此，應將電感、輸入電容和輸出電容盡可能靠近IC放置，并使用寬而短的走線來承載電流，以最小化PCB寄生電感。同時，應盡量減小與SW引腳連接的長度和面積，因為SW引腳是干擾源。所有反饋元件應靠近FB引腳，以防止FB引腳走線受到噪聲注入。對于升壓轉換器，輸出電容回到器件GND引腳的電流環路應盡可能小，以優化SW引腳和輸出端的過沖。

八、總結

SGM6626以其寬電壓范圍、靈活的開關頻率、高效性能和完善的保護功能，成為便攜式應用和小型電子設備中升壓轉換的理想選擇。在設計過程中，合理選擇外部元件參數和進行正確的PCB布局，能充分發揮其性能優勢，為電子系統提供穩定可靠的電源解決方案。各位工程師在實際應用中，不妨多嘗試和探索，挖掘SGM6626更多的潛力。你在使用升壓轉換器時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。