SGM61235：4.5V - 28V輸入、3A輸出同步降壓轉換器的深度解析

在電子設計領域，電源管理芯片的性能和穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)的正常運行至關重要。SGM61235作為一款高性能的同步降壓轉換器，為工程師們提供了一個可靠的電源解決方案。本文將對SGM61235進行詳細的介紹，包括其特性、工作原理、應用信息以及設計要點。

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一、SGM61235概述

SGM61235是一款具有自適應恒定導通時間控制（ACOT）的同步降壓轉換器，輸入電壓范圍為4.5V至28V，輸出電流能力可達3A，工作在偽固定頻率。它將功率開關和內部補償電路集成在一個小型6引腳封裝中，支持低等效串聯(lián)電阻（ESR）輸出電容，還包含典型的5ms軟啟動斜坡，以最小化浪涌電流。此外，該芯片還具備多種保護功能，如逐周期電流限制、打嗝電流保護模式、輸出過壓保護和熱關斷等。

1.1 產品特性

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至28V的輸入電壓范圍，適用于多種電源環(huán)境。
• 靈活的輸出電壓范圍：輸出電壓范圍為0.594V至7V，可滿足不同負載的需求。
• 高輸出電流能力：集成62mΩ/32mΩ功率MOSFET，可提供3A連續(xù)輸出電流。
• 低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流為45μA，關斷電流為3μA，有助于降低功耗。
• 偽固定700kHz開關頻率：在穩(wěn)定工作時可實現(xiàn)相對恒定的頻率，減少電磁干擾。
• 多種工作模式：SGM61235A采用脈沖跳過模式（PSM），在輕載時提高效率；SGM61235B采用連續(xù)電流模式（CCM），實現(xiàn)低輸出紋波和良好的調節(jié)性能。
• 全面的保護功能：包括打嗝電流保護模式、輸出過壓保護、可調節(jié)輸入欠壓鎖定和熱關斷自動恢復等。

1.2 應用領域

SGM61235適用于多種應用場景，如12V分布式電源總線、工業(yè)和消費應用、白色家電、音頻設備、機頂盒、數(shù)字電視和打印機等。

二、工作原理

2.1 自適應恒定導通時間控制（ACOT）

傳統(tǒng)的電壓模式控制（VMC）或電流模式控制（CMC）轉換器需要一個固定頻率的時鐘信號來生成鋸齒波斜坡，與補償網絡輸出進行比較以調整PWM占空比。而ACOT控制則不同，它無需時鐘信號，采用滯回模式控制。在每個開關周期開始時，當內部比較器檢測到輸出電壓下降到所需水平以下時，ACOT控制會生成一個相對恒定的導通時間脈沖。反饋（FB）引腳通過電阻分壓器感測輸出電壓，并使用低增益誤差放大器將其與內部參考電壓（VREF）進行比較。當反饋電壓（VFB）低于放大器輸出時，導通時間控制邏輯被觸發(fā)，打開高端開關。ACOT控制可以根據輸入和輸出電壓動態(tài)調整導通時間，在穩(wěn)態(tài)運行時實現(xiàn)相對恒定的頻率，并在特定頻率下最小化電磁干擾。

2.2 使能引腳和UVLO調整

EN引腳可用于開啟或關閉設備，也可用于改變UVLO閾值。當EN引腳電壓超過其高閾值時，設備被啟用；低EN電壓則會禁用設備并使其進入關斷狀態(tài)。EN引腳內部由一個小電流源上拉，因此如果EN引腳浮空，設備將被啟用。可以使用開漏或集電極開路輸出控制EN引腳。內部欠壓鎖定電路會監(jiān)測VIN，如果VIN低于UVLO閾值，設備將被禁用。內部UVLO具有320mV的滯回。如果需要更高的閾值，可以使用EN引腳進行調整。

2.3 自舉電壓（BOOT）

為了給高端開關柵極驅動器供電，需要一個高于VIN的電壓。通過在SW和BOOT引腳之間使用0.1μF的自舉電容和內部自舉二極管，采用自舉技術從開關節(jié)點提供該電壓。該電壓在內部進行調節(jié)，以驅動高端開關。建議使用X5R或X7R陶瓷電容作為CBOOT，以確保電容在溫度和電壓變化時保持穩(wěn)定。

2.4 輸出電壓編程

輸出電壓通過連接在Vout和GND之間的電阻分壓器設置，該分壓器連接到FB引腳。為了獲得準確和熱穩(wěn)定的輸出電壓，建議使用1%或更高質量、低熱容差的電阻。可以使用公式 (V{OUT }=V{REF } timesleft[frac{R{FB 1}}{R{FB 2}}+1right]) 計算輸出電壓。

2.5 內部電壓參考和軟啟動

SGM61235具有內部0.594V參考（VREF），用于將輸出編程到所需水平。當轉換器啟動（或啟用）時，內部斜坡電壓從接近0V開始上升，在5ms內略微超過0.594V。VREF和該斜坡中的較低值用作誤差放大器的參考，因此在啟動期間，斜坡為輸出提供軟啟動，防止輸出電容和負載上的輸出電壓快速增加導致的高浪涌電流。

2.6 過流和短路保護

SGM61235支持過載模式。當系統(tǒng)上電時輸出電流持續(xù)過載，SGM61235輸出最大功率并限制低端FET開關的最大谷值電流。設備保持逐周期限制以滿足系統(tǒng)的功率需求。直到設備發(fā)熱并進入熱關斷狀態(tài)，SGM61235才會關閉。隨著負載持續(xù)增加，輸出電壓下降。如果輸出電壓降至VREF的50%，并且低端開關的電流連續(xù)512個周期高于低端電流限制，則會激活打嗝電流保護模式。在打嗝模式下，調節(jié)器關閉并通常保持7ms，然后SGM61235嘗試再次啟動。如果過流或短路故障仍然存在，打嗝模式將重復，直到故障條件消除。打嗝模式有助于降低功耗，防止設備過熱和潛在損壞。

2.7 輸出過壓保護（OVP）

設備包含過壓保護功能，以最小化輸出故障恢復或大卸載瞬態(tài)后可能出現(xiàn)的輸出電壓過沖。FB引腳電壓與OVP閾值進行比較。如果VFB超過VREF的108%，高端開關將被強制關閉，低端開關將打開，直到觸發(fā)零交叉電流限制（SGM61235A）或負電流限制（SGM61235B）。當VFB降至VREF的104%以下時，高端開關允許再次打開。

2.8 輕載操作

• SGM61235A的脈沖跳過模式（PSM）：當SGM61235A在輕載下以不連續(xù)導通模式（DCM）運行時，它進入脈沖跳過模式（PSM），顯著降低內部功耗。此外，工作頻率會根據負載開始下降。在非常輕的負載下，當關斷時間超過10μs時，設備進入睡眠模式以降低內部功耗。
• SGM61235B的連續(xù)電流模式（CCM）：SGM61235B從滿載到空載都鎖定在連續(xù)電流模式。在輕載時允許負電感電流，以保持電感電流連續(xù)運行。這是一種權衡，犧牲了輕載效率，以保持開關頻率相對固定、降低輸出紋波和實現(xiàn)更好的輸出調節(jié)。為避免低端開關出現(xiàn)致命負電流，該電流限制在 -1A（典型值）。

2.9 熱關斷

如果結溫超過+170℃（典型值），設備將被迫停止開關。當TJ降至恢復閾值以下時，設備將自動恢復。

三、應用信息

3.1 參考設計

圖6展示了一個5V/3A應用的參考設計，僅需幾個外部組件即可從寬輸入電壓范圍提供恒定輸出電壓。表1提供了一些合適的輸出濾波器（L和Cout）以及CFF和分壓器電阻值，以簡化組件選擇。

3.2 組件選擇

• 輸入電容選擇：SGM61235的輸入去耦必須使用高質量的陶瓷電容（X5R或X7R或更好的介電等級）。VIN輸入至少需要3μF的有效電容（降額后）。在某些應用中，當SGM61235距離輸入源超過5cm時，可能還需要額外的大容量電容。VIN電容的紋波電流額定值必須大于最大輸入電流紋波。可以使用公式 (CINRMS =I{OUT } × sqrt{frac{V{OUT }}{V{IN }}} × frac{left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN }}=I{OUT } × sqrt{D times(1-D)}) 計算輸入電流紋波。對于本設計，選擇10μF/50V的電容以覆蓋所有直流偏置、熱和老化降額。建議在VIN和GND引腳旁邊放置一個額外的0.1μF陶瓷電容，用于高頻濾波。
• 電感選擇：通常使用公式 (L=frac{V_{INMAX }-V{OUT }}{I{OUT } × K{IND }} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW }}) 計算降壓轉換器的輸出電感。電感電流紋波（ΔIL）與最大輸出電流（Iout）的比值表示為KIND因子（ΔIL / Iout）。電感紋波電流由輸出電容旁路和濾波，電感直流電流傳遞到輸出。電感紋波的選擇需要考慮多個因素，例如在最壞情況下，電感的峰值電流（Iout + ΔIL / 2）必須與電感的飽和電流有安全裕量，特別是選擇硬飽和磁芯類型的電感（如鐵氧體）時。紋波電流也會影響輸出電容的選擇，COUT的RMS電流額定值必須高于電感RMS紋波。通常選擇40%的紋波（KIND = 0.4）。在本示例中，計算得到的電感為4.9μH，因此選擇最接近的4.7μH電感。可以使用公式 (Delta I{L}=frac{V{INMAX }-V{OUT }}{L} × frac{V{OUT }}{V{INMAX } × f{SW }}) 、 (L{-RMS }=sqrt{I{OUT }^{2}+frac{Delta l{L}^{2}}{12}}) 和 (L{-} PEAK =I{OUT }+frac{Delta I{L}}{2}) 分別計算紋波、RMS和峰值電感電流。需要注意的是，在啟動、負載瞬變或故障條件下，峰值電感電流可能會超過計算值，因此選擇電感的飽和電流高于開關電流限制總是更安全的。
• 輸出電容選擇：輸出電容和電感對PWM開關電壓的交流部分進行濾波，并在所需的輸出直流電壓上提供可接受的輸出電壓紋波。此外，電容存儲能量，以在負載瞬變期間幫助維持輸出電壓調節(jié)。輸出電壓紋波（ΔVout）取決于工作電壓、溫度（℃）下的輸出電容值及其寄生參數(shù)（ESR和ESL），可以使用公式 (Delta V{OUT }=Delta I{L} × E S R+frac{V{IN }-V{OUT }}{L} × E S L+frac{Delta L}{8 × f{S W} × C{OUT }}) 計算。輸出電容的電壓額定值應選擇足夠的裕量，以確保電容下降（電壓和溫度降額）不顯著。輸出電容的類型將決定公式中的哪些項占主導地位。對于陶瓷輸出電容，ESR和ESL幾乎為零，因此輸出電壓紋波將由電容項主導。為了降低電壓紋波，可以增加電感或總電容。對于電解輸出電容，電容值相對較高，與ESR和ESL項相比，公式中的第三項可以忽略。使用高質量的電容、更大的電感或并聯(lián)電容可以幫助降低使用電解輸出電容的設計中的輸出紋波。一些商用電解電容的ESR可能相當高，建議使用在數(shù)據手冊中明確記錄ESR或總阻抗的高質量電容。電解電容的ESR在寒冷環(huán)境溫度下可能會顯著增加，增加紋波并可能惡化調節(jié)器的穩(wěn)定性。調節(jié)器的瞬態(tài)響應也取決于輸出電容的數(shù)量和類型。一般來說，降低輸出電容的ESR將導致更好的瞬態(tài)響應。可以通過簡單地并聯(lián)更多電容或使用更高質量的電容來最小化ESR。當發(fā)生幅度為ΔIL和變化率為di/dt的快速負載瞬變時，輸出電壓將跳躍或下降一個瞬態(tài)幅度ΔVout，可以使用公式 (Delta V{OUT }=Delta I{L} × E S R+frac{d i}{d t} × E S L) 計算。瞬變之后，電感電流幾乎保持恒定，特別是對于較大的電感，瞬態(tài)電流由電容承載。輸出電壓將在短時間內偏離其標稱值，具體取決于系統(tǒng)帶寬、電感和輸出電容。最終，誤差放大器和反饋將使輸出電壓恢復到其標稱值。通常，較高的帶寬更受歡迎，以獲得更短的 settling 時間，但可能更難獲得可接受的增益和相位裕量。在本示例中，根據表1，選擇2 × 22μF/16V X5R陶瓷電容，ESR為2mΩ，可以滿足上述條件。
• 自舉電容選擇：使用0.1μF高質量陶瓷電容（X5R或X7R），電壓額定值為10V或更高作為自舉電容（C3）。
• VIN UVLO設置：可以通過在SGM61235的EN引腳上使用外部分壓器來編程輸入UVLO。在本設計中，R1連接在VIN引腳和EN引腳之間，R2連接在EN引腳和GND之間。UVLO有兩個閾值（滯回），一個用于上電（開啟開關），當輸入電壓上升時；另一個用于下電（關閉開關），當電壓下降時。在本設計中，當VIN上升到8V以上（UVLO上升閾值）時，開啟（開始開關）發(fā)生。當調節(jié)器工作時，直到輸入下降到7V以下（UVLO下降閾值），它才會停止開關（禁用）。可以使用公式 (R{1}=frac{V{U V{-} H} × V{I L}-V{U V{-} L} × V{I H}}{I{H} × V{I H}-I{I L} × V{I L}}) 和 (R{2}=frac{R{1} × V{1 L}}{V{U V{-} L}-V{1 L}+R{1} × I_{1 H}}) 計算電阻。在本示例中，選擇最接近的標準電阻值R1 = 240kΩ和R2 = 41.2kΩ。
• 輸出電壓設置：使用外部電阻分壓器（R3和R4），通過公式 (R{4}=R{3} timesleft(frac{V{REF }}{V{OUT }-V_{REF }}right)) 設置輸出電壓，其中VREF = 0.594V是內部參考。例如，選擇R3 = 100kΩ時，5V輸出的R4值將計算為13.7kΩ。
• 前饋電容選擇：SGM61235包含內部補償電路，內部斜坡添加到參考電壓以模擬輸出紋波。對于超低輸出電容ESR（陶瓷電容）應用，建議添加一個56pF前饋電容（C6），為輸出電壓紋波提供低阻抗路徑，并確保反饋節(jié)點處電壓紋波的相移最小，同時保持可接受的瞬態(tài)響應。

3.3 布局指南

PCB是任何開關電源的重要組成部分。由于存在大而快速上升/下降的電壓，這些電壓可能通過雜散電容耦合到其他信號路徑，以及大而快速變化的電流，這些電流可能通過寄生磁耦合相互作用，因此轉換器的操作可能會受到顯著干擾。除非在布局設計中最小化并妥善管理這些干擾，否則會影響轉換器的性能。高電流路徑中銅跡線的電導不足會導致功率路徑中的高電阻損耗和電壓誤差。以下是設計良好布局的必要指南：

• 用低ESR陶瓷電容（X5R或X7R更好的介電）盡可能靠近VIN引腳旁路VIN引腳到GND引腳。
• 對于高電流連接（IN、SW和GND），使用短、寬且直接的跡線。
• 保持BOOT - SW電壓路徑盡可能短。
• 將反饋電阻盡可能靠近對噪聲敏感的FB引腳放置。
• 最小化VIN引腳、旁路電容連接和SW引腳形成的環(huán)路面積和路徑長度。

四、總結

SGM61235是一款功能強大、性能穩(wěn)定的同步降壓轉換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力、多種保護功能和靈活的工作模式。通過合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局，可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足各種應用的需求。在實際設計中，工程師們需要根據具體的應用場景和要求，仔細考慮每個組件的選擇和參數(shù)設置，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用SGM61235的過程中遇到過哪些問題呢？或者你對其設計有什么獨特的見解嗎？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和想法。