探秘SGM6620/SGM6620A：25V、20A同步升壓轉換器的卓越性能與應用

在電子工程師的日常設計中，選擇一款合適的升壓轉換器至關重要。今天我們就來深入了解一下SGMICRO推出的SGM6620/SGM6620A 25V、20A同步升壓轉換器，看看它有哪些獨特之處能滿足我們的設計需求。

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一、產品概述

SGM6620系列是為高功率應用量身定制的20A谷值開關電流限制同步升壓轉換器。它集成了一個典型值為9.8mΩ的高端MOSFET，這不僅能最大程度提高效率，還能減小便攜式應用的整體解決方案尺寸。此外，該系列還支持級聯操作，可進一步提高功率密度。

SGM6620系列支持2.05V至23V的寬輸入電壓范圍，適用于單節或多節鋰電池、USB PD3.0等多種輸入源，輸出電壓可在4.5V至25V之間進行廣泛的可編程設置。

它采用自適應恒定導通時間谷值電流控制拓撲來調節輸出電壓，并通過MODE引腳提供操作模式選擇。在輕載時可消耗最小電流，在中等到重載條件下自動切換到脈沖寬度調制（PWM）模式。SGM6620A還提供輕載超聲模式，將PFM頻率鉗位在30kHz（典型值）以上。

同時，該系列集成了輸出過壓保護（OVP）、逐周期過流保護（OCP）和熱關斷等多種保護功能，采用綠色TQFN - 2.5×3 - 14AL封裝。

二、產品特性

（一）寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.05V至23V，輸出電壓范圍為4.5V至25V，這種寬范圍的設計使得它能夠適應各種不同的電源和負載要求。啟動時的最小輸入電壓為2.35V，還支持10A至20A（典型值）的可編程谷值電流限制。

（二）不同型號的開關頻率

SGM6620的開關頻率典型值為290kHz，而SGM6620A在超聲模式下的開關頻率典型值為30kHz，工程師可以根據實際應用場景進行選擇。

（三）集成高端FET與多相功能

集成了9.8mΩ（典型值）的高端FET，支持堆疊多相操作，可用于高輸出電流應用，還能與外部時鐘同步，并且具有精確的EN/UVLO閾值。

（四）豐富的保護功能

具備輸出過壓保護、逐周期過流保護和熱關斷等保護功能，能有效保障設備的安全穩定運行。

三、引腳配置與描述

SGM6620/SGM6620A采用TQFN - 2.5×3 - 14AL封裝，每個引腳都有其特定的功能。例如，ILIM引腳用于設置電感器谷值電流限制，通過連接外部電阻與AGND引腳來實現；FB引腳是電壓反饋引腳，使用電阻分壓器來設置所需的輸出電壓；MODE引腳用于模式選擇，高電平為強制PWM模式，低電平為自動PFM模式（SGM6620A還有超聲模式）。

四、電氣特性

在不同的工作條件下，SGM6620/SGM6620A展現出了穩定的電氣性能。例如，輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、靜態電流、關斷電流等參數都有明確的規定。在典型工作條件下，開關頻率、高端MOSFET導通電阻、最小關斷時間、最小導通時間等參數也都有相應的典型值，這些參數為工程師的設計提供了重要的參考依據。

五、典型性能特性

通過一系列的圖表，我們可以直觀地看到SGM6620/SGM6620A在不同條件下的性能表現。例如，高端MOSFET導通電阻與溫度的關系、EN/UVLO上升電壓與溫度的關系、參考電壓與溫度的關系等。在效率方面，無論是自動PFM模式還是FPWM模式，都展示了不同輸入電壓和輸出電流下的效率曲線，幫助工程師更好地評估其在實際應用中的效率表現。

六、詳細工作原理與功能模式

（一）自適應恒定導通時間谷值電流控制

SGM6620系列使用這種控制拓撲來調節輸出電壓。在中等到重載條件下，以準恒定頻率的PWM模式運行，通過改變導通時間來維持近似恒定的290kHz（典型值）頻率。在輕載條件下，可通過MODE引腳選擇脈沖頻率調制（PFM）模式或強制脈沖寬度調制（FPWM）模式。

（二）欠壓鎖定（UVLO）

集成的UVLO功能可保護設備在輸入電壓不足時避免故障，并防止電池過度放電。當VIN引腳電壓低于下降的UVLO閾值（典型值1.9V）時，設備停止工作；當VIN引腳電壓高于上升的UVLO閾值（典型值2.2V）時，設備開始工作。VCC引腳也有UVLO功能，當VCC低于UVLO閾值（典型值1.8V）時，設備禁用。

（三）使能和可編程UVLO

具有雙功能的使能和欠壓鎖定電路，通過精確的UVLO電壓閾值和滯回電流，可支持可編程的輸入欠壓鎖定，防止輸入電壓緩慢變化且有噪聲時的開關抖動。

（四）軟啟動

具備7.5ms（典型值）的軟啟動功能，可減少啟動時的浪涌電流。當輸入電壓有效且EN輸入為高電平時，內部軟啟動電容充電，隨著電容電壓上升，誤差放大器的輸出逐漸增加，直到軟啟動電容電壓超過內部參考電壓。

（五）開關頻率和外部時鐘同步

SGM6620的開關頻率典型值為290kHz，并且可以通過M/SYNC引腳與外部時鐘信號同步，適用于對噪聲敏感或涉及多相的應用。但外部時鐘頻率必須在默認開關頻率的±20%范圍內，且時鐘信號需滿足一定的電平要求和脈沖寬度要求。

（六）堆疊多相操作

SGM6620系列支持堆疊多相操作，兩個設備可實現主/從堆疊轉換器，最多可將4個設備并聯以滿足更高的功率要求。多相操作可顯著降低電感器電流和電容器紋波電流的峰值，提高有效開關頻率，從而最大程度減小電感器和電容器的尺寸。

（七）不同功能模式

1. 強制PWM（FPWM）模式

在這種模式下，SGM6620系列從滿載到空載都鎖定在PWM模式，輕載時允許有負電感器電流以繼續PWM操作。雖然犧牲了輕載效率，但可以獲得較低的輸出紋波、更好的輸出調節、無 audible 噪聲并保持開關頻率固定。為避免低端開關出現致命的負電流，該電流限制在 - 5A。在FPWM模式下，全負載范圍內都可進行同步。

2. 自動PFM模式

該模式可提高輕載時的效率。隨著負載電流減小，誤差放大器輸出相應降低，以減少谷值電感器電流。當負載進一步減小時，高端FET導通期間電感器電流達到0A，內部過零檢測比較器觸發關閉高端FET，防止負電流流動，并等待下一個時鐘脈沖開啟低端FET。當負載電流繼續減小時，誤差放大器輸出降至PFM閾值電壓并被鉗位，設備進入PFM模式，跳過脈沖以提供足夠的功率給負載并維持輸出電壓穩定。

3. 超聲模式

僅SGM6620A具備此模式，將MODE引腳拉低至邏輯低電平可配置為超聲模式，將輕載時的開關頻率鉗位在30kHz（典型值）以上，避免 audible 噪聲。隨著負載增加，設備自動提高開關頻率以滿足負載需求。

（八）其他保護功能

1. 過壓保護

集成了過壓保護（OVP）功能，當輸出電壓達到26.5V（典型值）的OVP閾值時，設備停止開關操作；當輸出電壓比OVP閾值低1V時，設備恢復開關操作。

2. 熱關斷

為防止設備過熱損壞，內置了熱保護功能。當結溫超過160°C（典型值）時，開關停止；當結溫下降20°C（典型值）時，設備恢復運行。

七、應用信息與設計要點

（一）應用場景

SGM6620系列適用于USB Type - C電源、智能音箱等多種應用場景，能夠提供高達25V的輸出電壓和20A的谷值開關電流。

（二）設計要求與步驟

1. 設置輸出電壓

通過連接在VOUT和FB引腳之間的電阻分壓器來設置輸出電壓。為獲得最佳輸出電壓精度，建議選擇合適的(R_2)值，使流經(R_2)的電流是流入FB引腳泄漏電流的100倍以上，同時較低的(R_2)電阻還可提高設備的抗噪能力。(R1)電阻可通過公式(R{1}=frac{(V{OUT } - V{REF }) × R{2}}{V{REF }})計算得出。

2. 輸入電容器選擇

升壓轉換器的輸入電容器在整個開關周期內有連續電流，建議在VIN引腳和GND引腳之間盡可能靠近地放置一個22μF的陶瓷電容器。對于SGM6620/A與輸入源距離較遠的應用，建議使用更高電容的電容器或額外的“大容量”電容器（電解或鉭電容）來抑制線束電感。

3. 電感器選擇

電感器是DC/DC開關模式電源的關鍵元件，其電感值、直流電阻和飽和電流是選擇的重要標準。一般設計時，所選電感應在滿載和標稱輸入電壓下提供約為平均電感器電流30%的峰 - 峰紋波電流。通過公式(L{MIN }=frac{V{INMIN } times(V{OUTMAX } - V{INMIN })}{Delta I{L} × f{SW } × V{OUT_MAX }})可計算所需的最小電感值。SGM6620系列優化的電感范圍為2.2μH至4.7μH，可根據具體應用場景進行選擇。同時，建議選擇較低DCR的電感器以提高轉換效率，但較小電感值會增加峰 - 峰電流和AC磁芯損耗，需要在電感尺寸和性能之間進行權衡。

4. 自舉和VCC電容器選擇

內部調節器使用0.1μF的陶瓷電容器為柵極驅動器提供偏置電壓，建議選擇質量好、ESR低且額定電壓為10V或更高的陶瓷電容器。BOOT電容器在高端MOSFET關斷且外部低端二極管導通時刷新。SGM6620系列內部LDO輸出5V的穩壓電壓，在VCC引腳和GND引腳之間連接一個大于2.2μF的陶瓷電容器，建議選擇X7R或X5R等級、額定電壓高于10V的陶瓷電容器，以穩定VCC電壓并解耦噪聲。

5. MOSFET選擇

外部低端功率MOSFET的(V{DS})額定值必須能夠承受最大輸出電壓加上瞬態尖峰。在選擇MOSFET時，需要平衡與MOSFET導通電阻和總柵極電荷（Qg）相關的導通損耗和開關損耗。同時，要注意死區時間的限制，確保低端和高端MOSFET不會同時導通。對于高開關頻率設計，無引腳封裝更好，可最小化驅動電路中的寄生電感。連接電阻到柵極時要小心，以免縮短實際死區時間。此外，MOSFET的柵極驅動器電流由VCC供電，要確保柵極閾值電壓((V{TH}))低于最小輸入電壓，以保證MOSFET完全導通。

6. 輸出電容器選擇

升壓轉換器的輸出電容器決定了輸出電壓紋波和負載瞬態響應。通過公式(C{MIN }=frac{I{OUT } times(V{OUT } - V{INMIN })}{f{SW } × Delta V × V_{OUT }})可估算實現所需輸出電壓紋波所需的最小電容值。選擇電容器時要考慮陶瓷電容器的直流偏置效應，所選電容器的額定電壓應高于最大工作輸出電壓30%以上。使用鉭或鋁電解電容器時，要考慮ESR來計算輸出電壓紋波。

7. 環路穩定性

SGM6620系列的補償網絡采用外部實現，以提高設計靈活性。通過在COMP引腳連接由(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})組成的II型補償網絡來配置環路響應。根據功率級小信號環路響應和補償網絡的小信號傳遞函數，確定誤差放大器和功率級的極點和零點后，可設計補償網絡的元件值。設計的環路交叉頻率((f{C}))應在RHPZ頻率((f{RHPZ}))的1/5或開關頻率的1/10以內，以避免不穩定。通過公式可計算(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})的值，當應用僅使用陶瓷電容器或計算出的(C{P})值小于10pF時，(C{P})可以不需要。為確保良好的環路補償設計，相位裕度應大于45°，增益裕度應大于10dB，以提供良好的環路穩定性并避免負載和線路瞬態時輸出電壓的振蕩。

8. 電源供應建議

SGM6620系列可在2.05V至23V的寬輸入電壓范圍內工作。如果輸入電源與設備距離較遠，除了陶瓷電容器外，可能還需要額外的大容量電容器。

9. 布局指南

布局對于開關模式電源的性能至關重要。不良的布局可能導致系統不穩定、EMI故障和設備損壞。因此，應將電感器、輸入電容器和輸出電容器盡可能靠近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。對于升壓轉換器，輸出電容器從VOUT引腳回到設備GND引腳的電流環路應盡可能小，連接SW節點的走線應盡可能短。建議在SGM6620/A下方設置接地層，以最小化層間耦合。由于SGM6620/A的功率密度較高，承載電流的SW、VOUT、VIN和PGND引腳應連接大的銅多邊形，以確保良好的熱性能，并建議在這些節點上設置熱過孔。

八、總結

SGM6620/SGM6620A同步升壓轉換器憑借其寬輸入輸出電壓范圍、豐富的功能模式、強大的保護功能以及靈活的設計特點，為電子工程師在高功率應用設計中提供了一個優秀的選擇。無論是在便攜式設備、USB Type - C電源還是智能音箱等領域，都能發揮出其卓越的性能。但在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，仔細考慮各個元件的選擇和布局，以確保系統的穩定可靠運行。你在使用類似升壓轉換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。