SGM61223C同步降壓轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

一、引言

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，同步降壓轉(zhuǎn)換器扮演著至關(guān)重要的角色。今天我們要深入探討的SGM61223C，就是一款性能卓越的同步降壓轉(zhuǎn)換器，它能為各種電子設(shè)備提供高效、穩(wěn)定的電源解決方案。

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二、SGM61223C概述

2.1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

SGM61223C是SGMICRO推出的一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍寬達(dá)4.5V至28V，能在這個(gè)寬輸入電壓范圍內(nèi)為輸出提供高達(dá)2A的電流。它采用小型6引腳封裝，將功率開關(guān)集成其中，使用起來非常方便。同時(shí)，還具備典型的3ms軟啟動(dòng)斜坡，可有效降低浪涌電流。

2.2 產(chǎn)品特性

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至28V的輸入電壓范圍，使其能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 大輸出電流：可提供2A的連續(xù)輸出電流，滿足大多數(shù)負(fù)載的需求。
• 集成功率MOSFET：集成了130mΩ/65mΩ的功率MOSFET，提高了效率。
• 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流低至44μA（典型值），關(guān)斷電流僅2.3μA（典型值），有助于降低功耗。
• 偽固定開關(guān)頻率：具有偽固定的710kHz開關(guān)頻率，在輕載時(shí)采用脈沖跳躍模式（PSM），可進(jìn)一步提高效率。
• 多種保護(hù)功能：具備逐周期過流限制、輸出過壓保護(hù)、熱關(guān)斷自動(dòng)恢復(fù)等功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

三、工作原理

3.1 自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制（ACOT）

與傳統(tǒng)的電壓模式控制（VMC）或電流模式控制（CMC）不同，ACOT控制無需時(shí)鐘信號(hào)，而是采用滯回模式控制。在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，當(dāng)內(nèi)部比較器檢測(cè)到輸出電壓低于期望水平時(shí)，ACOT控制會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)恒定的導(dǎo)通時(shí)間脈沖。通過反饋（FB）引腳感測(cè)輸出電壓，并與內(nèi)部參考電壓（VREF）進(jìn)行比較，當(dāng)反饋電壓（VFB）低于放大器輸出時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間控制邏輯觸發(fā)，開啟高端開關(guān)。這種控制方式能根據(jù)輸入和輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)相對(duì)恒定的頻率，同時(shí)減少特定頻率下的電磁干擾。

3.2 使能引腳與欠壓鎖定（UVLO）調(diào)整

EN引腳可用于開啟或關(guān)閉設(shè)備，也可用于改變UVLO閾值。當(dāng)EN引腳電壓超過其高閾值（典型值1.19V）時(shí)，設(shè)備啟用；低EN電壓則使設(shè)備進(jìn)入低靜態(tài)電流狀態(tài)。EN引腳內(nèi)部通過一個(gè)典型值為1MΩ的電阻下拉，若EN引腳浮空，設(shè)備將被禁用。此外，SGM61223C允許通過一個(gè)上拉電阻R?（典型值510kΩ）將EN連接到VIN，R?的取值范圍為30kΩ至2.7MΩ。內(nèi)部UVLO電路會(huì)監(jiān)測(cè)VIN，當(dāng)VIN低于UVLO閾值時(shí)，設(shè)備禁用，且UVLO具有330mV的滯回。若需要更高的閾值，可通過EN引腳進(jìn)行調(diào)整。

3.3 自舉電壓（BOOT）

為了給高端開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器供電，需要一個(gè)高于VIN的電壓。通過在SW和BOOT引腳之間使用一個(gè)0.1μF的自舉電容以及內(nèi)部自舉二極管，采用自舉技術(shù)從開關(guān)節(jié)點(diǎn)提供該電壓，該電壓內(nèi)部經(jīng)過調(diào)節(jié)，用于驅(qū)動(dòng)高端開關(guān)。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(shí)保持穩(wěn)定。

3.4 輸出電壓編程

SGM61223C的輸出電壓通過一個(gè)連接在VOUT和GND之間的電阻分壓器來設(shè)置，該分壓器連接到FB引腳。建議使用精度為1%或更高、溫度系數(shù)低的電阻，以獲得準(zhǔn)確且熱穩(wěn)定的輸出電壓。可通過公式(V{OUT }=V{REF } timesleft[frac{R{FB 1}}{R{FB 2}}+1right])計(jì)算輸出電壓，其中VREF為內(nèi)部參考電壓（典型值0.598V）。

3.5 內(nèi)部電壓參考與軟啟動(dòng)

SGM61223C具有一個(gè)內(nèi)部0.598V的參考電壓（VREF），用于將輸出編程到期望水平。當(dāng)轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或啟用時(shí)，內(nèi)部斜坡電壓從接近0V開始上升，在3ms內(nèi)略高于0.598V。VREF和該斜坡電壓中的較低值用作誤差放大器的參考，從而在啟動(dòng)期間為輸出提供軟啟動(dòng)，防止因輸出電壓在輸出電容和負(fù)載上快速上升而產(chǎn)生的高浪涌電流。

3.6 過流與短路保護(hù)

SGM61223C支持過載模式。當(dāng)系統(tǒng)上電期間輸出電流持續(xù)過載時(shí)，設(shè)備輸出最大功率，并限制低端FET開關(guān)的最大谷值電流，以逐周期限制的方式滿足系統(tǒng)的功率需求。直到設(shè)備發(fā)熱并進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，設(shè)備才會(huì)停止工作。當(dāng)輸出電壓降至VREF的65%，且低端開關(guān)電流連續(xù)512個(gè)周期高于低端電流限制時(shí)，打嗝式電流保護(hù)模式將被激活。在打嗝模式下，調(diào)節(jié)器關(guān)閉并保持30ms（典型值），然后嘗試重新啟動(dòng)。如果過流或短路故障仍然存在，打嗝模式將重復(fù)，直到故障排除。這種模式有助于減少功耗，防止設(shè)備過熱和潛在損壞。

3.7 輸出過壓保護(hù)（OVP）

設(shè)備內(nèi)置過壓保護(hù)功能，可減少輸出故障恢復(fù)或大負(fù)載卸載瞬變后可能出現(xiàn)的輸出電壓過沖。將FB引腳電壓與OVP閾值進(jìn)行比較，若VFB超過VREF的108%，則強(qiáng)制關(guān)閉高端開關(guān)，開啟低端開關(guān)，直到觸發(fā)零交叉電流限制。當(dāng)VFB降至VREF的104%以下時(shí)，允許高端開關(guān)再次開啟。

3.8 輕載脈沖跳躍模式（PSM）

當(dāng)SGM61223C在輕載下以不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）運(yùn)行時(shí)，會(huì)進(jìn)入脈沖跳躍模式（PSM），顯著降低內(nèi)部功耗。此外，工作頻率會(huì)根據(jù)負(fù)載開始下降。在極輕負(fù)載且關(guān)斷時(shí)間超過18μs時(shí)，設(shè)備進(jìn)入睡眠模式，進(jìn)一步降低內(nèi)部功耗。

3.9 熱關(guān)斷

若結(jié)溫超過典型值150℃，設(shè)備將被迫停止開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)結(jié)溫降至恢復(fù)閾值以下時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)恢復(fù)工作。

四、應(yīng)用信息

4.1 設(shè)計(jì)要求

4.2 外部組件選擇

4.2.1 輸入電容選擇

SGM61223C的輸入去耦必須使用高質(zhì)量的陶瓷電容（X5R或X7R或更好的介電等級(jí)），VIN輸入至少需要3μF的有效電容（降額后）。在某些應(yīng)用中，若SGM61223C距離輸入源超過5cm，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，可通過公式(I_{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(jì)算輸入電流紋波，其中D為占空比。此設(shè)計(jì)中，選擇10μF/50V的電容作為VIN電容，以覆蓋所有直流偏置、溫度和老化降額。同時(shí)，建議在VIN和GND引腳旁邊放置一個(gè)0.1μF的小陶瓷電容，用于高頻濾波。

4.2.2 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(jì)算降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電感，其中KIND為電感電流紋波與最大輸出電流的比值，通常選擇0.4。此例中，計(jì)算得出的電感值為7.23μH，因此選擇最接近的6.8μH電感。電感的紋波、RMS和峰值電流可分別通過公式(Delta I{L}=frac{V{I N _M A X}-V{OUT }}{L} × frac{V{OUT }}{V_{INMAX } × f{SW }})、(L{-} RMS =sqrt{I{OUT }^{2}+frac{Delta l{L}^{2}}{12}})和(I{L{-} PEAK }=I{OUT }+frac{Delta I_{L}}{2})計(jì)算。需要注意的是，在啟動(dòng)、負(fù)載瞬變或故障條件下，峰值電感電流可能超過計(jì)算值，因此選擇電感的飽和電流應(yīng)高于開關(guān)電流限制。

4.2.3 輸出電容選擇

輸出電容和電感用于過濾PWM開關(guān)電壓的交流部分，并在期望的輸出直流電壓上提供可接受的輸出電壓紋波。輸出電壓紋波(Delta V{OUT })取決于輸出電容在工作電壓、溫度下的值以及其寄生參數(shù)（ESR和ESL），可通過公式(Delta V{OUT }=Delta I{L} × E S R+frac{V{I N}-V{O U pi}}{L} × E S L+frac{Delta L}{8 × f{S W} × C_{O U T}})計(jì)算。對(duì)于陶瓷輸出電容，ESR和ESL幾乎為零，輸出電壓紋波主要由電容項(xiàng)決定；對(duì)于電解輸出電容，電容值相對(duì)較高，公式中的第三項(xiàng)可忽略。為降低電壓紋波，可增加電感或總電容。同時(shí)，調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)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可改善瞬態(tài)響應(yīng)。此例中，根據(jù)表格選擇2 × 47μF/16V X5R陶瓷電容，其ESR為2mΩ，可滿足上述條件。

4.2.4 自舉電容選擇

使用一個(gè)0.1μF、額定電壓為10V或更高的高質(zhì)量陶瓷電容（X5R或X7R）作為自舉電容（C?）。

4.2.5 VIN UVLO設(shè)置

通過在SGM61223C的EN引腳上使用外部電壓分壓器來編程輸入U(xiǎn)VLO。在本設(shè)計(jì)中，R?連接在VIN引腳和EN引腳之間，R?連接在EN引腳和GND之間。UVLO有兩個(gè)閾值（滯回），一個(gè)用于上電時(shí)（輸入電壓上升），一個(gè)用于斷電時(shí)（電壓下降）。此設(shè)計(jì)中，當(dāng)VIN上升超過8V（UVLO上升閾值）時(shí)，調(diào)節(jié)器開始開關(guān)；當(dāng)輸入降至7V（UVLO下降閾值）以下時(shí)，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)。可通過公式計(jì)算電阻值，此例中選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值R? = 732kΩ，R? = 150kΩ。

4.2.6 輸出電壓設(shè)置

使用外部電阻分壓器（R?和R?）通過公式(R{4}=R{3} timesleft(frac{V{REF }}{V{OUT }-V_{REF }}right))設(shè)置輸出電壓，其中VREF為內(nèi)部參考電壓（0.598V）。例如，選擇R? = 100kΩ時(shí)，5V輸出的R?值計(jì)算為13.6kΩ。

4.2.7 前饋電容選擇

對(duì)于超低輸出電容ESR（陶瓷電容）應(yīng)用，建議添加一個(gè)56pF的前饋電容（C?），為輸出電壓紋波提供低阻抗路徑，確保反饋節(jié)點(diǎn)處電壓紋波的相移最小，同時(shí)保持可接受的瞬態(tài)響應(yīng)。

五、布局信息

印刷電路板（PCB）是任何開關(guān)電源的重要組成部分。布局設(shè)計(jì)不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行受到干擾，因此需要遵循以下準(zhǔn)則：

• 輸入電容旁路：使用低ESR陶瓷電容（X5R或X7R更好的介電等級(jí)）將VIN引腳旁路到GND引腳，并盡可能靠近VIN引腳放置。
• 大電流連接：使用短、寬且直接的走線進(jìn)行大電流連接（如IN、SW和GND），以減少電阻損耗和電壓誤差。
• BOOT - SW路徑：盡量縮短BOOT - SW電壓路徑，減少干擾。
• 反饋電阻：將反饋電阻盡可能靠近對(duì)噪聲敏感的FB引腳放置，以提高反饋精度。
• 環(huán)路面積：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(zhǎng)度，減少電磁干擾。

六、總結(jié)

SGM61223C同步降壓轉(zhuǎn)換器憑借其寬輸入電壓范圍、大輸出電流、多種保護(hù)功能以及高效的控制方式，為電子設(shè)備的電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局是確保其性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。希望本文能為電子工程師在使用SGM61223C進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。