ADP1877：高性能雙路同步降壓PWM控制器的深度解析

在電子設備的電源管理領域，一款優秀的控制器對于系統的穩定運行和性能表現起著至關重要的作用。今天，我們就來深入探討Analog Devices推出的ADP1877雙路同步降壓PWM控制器，詳細了解它的特性、工作原理以及應用設計要點。

文件下載：ADP1877HC-EVALZ.pdf

一、ADP1877概述

ADP1877是一款采用Flex - Mode?專有架構的雙路同步降壓開關控制器，集成了驅動N溝道同步功率MOSFET的驅動器。其顯著特點在于兩個PWM輸出相位相差180°，這一設計有效降低了輸入RMS電流，從而減少了所需的輸入電容。同時，內置的升壓二極管降低了系統成本和元件數量。

主要特性

1. 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為2.75 V至14.5 V，輸出電壓范圍為0.6 V至90% VIN，能滿足多種不同的應用需求。
2. 大電流輸出能力：每通道最大輸出電流大于25 A，可應對高功率負載。
3. 可編程頻率：頻率范圍從200 kHz到1.5 MHz，能根據具體應用場景靈活調整。
4. 多種保護功能：具備過壓、過流、熱過載保護以及輸入欠壓鎖定（UVLO）等功能，保障系統的安全穩定運行。
5. 高效率模式：輕載時可進入脈沖跳躍高效模式，提高能源利用效率。

二、工作原理

控制架構

ADP1877基于固定頻率電流模式PWM控制架構。在開關周期的關斷期間，通過測量外部低端MOSFET (R_{DSON}) 上的電壓降來感測電感電流（谷值電感電流）。電流感測信號經電流感測放大器處理后，其輸出被保持，模擬電流斜坡被復用并輸入到PWM比較器中。誤差放大器對反饋電壓和COMP引腳產生的誤差電壓之間的誤差進行積分。

振蕩器頻率

內部振蕩器頻率通過FREQ引腳的外部電阻 (R{FREQ}) 設置，范圍為200 kHz至1.5 MHz。一些常見的頻率設置可參考表4，也可通過公式 (R{FREQ }(k Omega)=96568 × f_{OSC }(kHz)^{-1.065}) 計算。

工作模式

• 脈沖跳躍模式：當SYNC引腳接地或浮空時，控制器進入脈沖跳躍模式。在輕載時，通過跳過PWM脈沖來降低開關頻率，保持高效率，但輸出紋波會比固定頻率強制PWM模式大。
• 強制PWM模式：當SYNC引腳連接到VCCO或高電平時，控制器工作在強制PWM模式，在任何負載下都工作在連續導通模式（CCM），輕載時效率較低。

同步功能

ADP1877的開關頻率可通過將SYNC引腳連接到外部時鐘信號進行同步，外部時鐘信號頻率應在內部振蕩器頻率的1倍至2.3倍之間，同步后開關頻率為外部SYNC頻率的一半。

三、應用設計要點

輸出電壓設置

通過從輸出到FB的電阻分壓器設置輸出電壓，輸出電壓范圍為0.6 V至90%的輸入電壓。計算公式為 (R{TOP }=R{BOT }left(frac{V{OUT }-V{F B}}{V{F B}}right)) ，其中 (V{FB}) 為反饋調節閾值，固定為0.6 V。

軟啟動設置

軟啟動功能通過在SS1/SS2和AGND之間連接外部電容來實現。啟動時，6.5 μA的電流源對電容充電，當SS引腳電壓達到0.6 V時，達到調節電壓。軟啟動時間近似為 (t{S S}=frac{0.6 V}{6.5 mu A} C{s s}) 。

電流限制設置

電流限制通過外部電流限制電阻 (R{ILIM}) 設置。電流感測引腳ILIMx向該電阻提供50 μA電流，當低端MOSFET上的壓降等于或大于該電阻產生的偏移電壓時，觸發電流限制事件。計算公式為 (R{ILIM }=frac{I{L P K} × R{DSON_MAX }}{40 mu A}) 。

斜率補償設置

在電流模式控制拓撲中，斜率補償用于防止電感電流的次諧波振蕩，保持輸出穩定。通過在RAMPx引腳和輸入電壓之間連接電阻 (R{RAMP}) 實現，計算公式為 (R{R A M P}=frac{3.6 × 10^{10} L}{A{C S} × R{D S O N_{-} M A X}}) 。

電流感測增益設置

電流感測放大器對外部低端MOSFET上的電壓降進行放大，增益可通過連接到DL引腳的外部電阻 (R{CSG}) 編程設置為3 V/V、6 V/V、12 V/V或24 V/V。選擇合適的增益，確保內部最小放大電壓 (V{CSMIN}) 高于0.4 V，最大放大電壓 (V_{CSMAX}) 為2.1 V。

元件選擇

1. 輸入電容：輸入電容需具備足夠的紋波電流額定值和低ESR，以處理輸入紋波和減輕輸入電壓紋波。可根據輸出占空比和所需輸入紋波電壓計算最小輸入電容。
2. 電感：選擇電感值使電感紋波電流約為最大直流輸出負載電流的1/3，計算公式為 (L=frac{V{I N}-V{OUT }}{f{S W} × Delta I{L}} × frac{V{OUT }}{V{I N}}) 。
3. 輸出電容：根據所需輸出電壓紋波選擇輸出電容，考慮電容的ESR、ESL以及負載階躍瞬變時的電壓降和過沖要求。
4. MOSFET：選擇低導通電阻、低柵極電荷和低熱阻的MOSFET，以降低I2R損耗、過渡損耗和確保MOSFET芯片溫度不過高。

PCB布局

PCB布局對于開關轉換器的性能至關重要。要保持高電流環路小，將補償和反饋元件遠離開關節點及其相關元件。具體注意事項包括：

1. MOSFET、輸入大容量電容和旁路電容：FET路徑應盡可能短，使用合適的陶瓷旁路電容并接地到PGNDx平面。
2. 高電流和電流感測路徑：保持SWx和PGNDx引腳的走線短且靠近FET，以實現準確的電流感測。
3. 信號路徑：將AGND、VIN旁路、補償元件、軟啟動電容和輸出反饋分壓器電阻的負端連接到幾乎隔離的小AGND平面。
4. PGND平面：PGNDx引腳通過寬而直接的路徑連接到低端MOSFET的源極，CIN的負端應靠近低端MOSFET的源極。
5. 反饋和電流限制感測路徑：避免FBx和ILIMx引腳的長走線或大銅面積，將串聯電阻和電容靠近這些引腳放置。
6. 開關節點：開關節點應寬以降低電阻壓降，總面積應小以減少電容耦合噪聲。
7. 柵極驅動器路徑：柵極驅動走線應短而直接，必要時可使用兩個較大的過孔并聯，可在DH和DL引腳放置小阻值電阻以減少噪聲和振鈴。
8. 輸出電容：輸出濾波電容的負端應靠近低端FET的源極，以最小化AGND和PGNDx之間的電壓差。

四、典型應用電路

文檔中給出了多種典型應用電路，包括中等電流、20 A、低電流以及低輸入電壓（ (V_{IN}<5.5 ~V) ）等不同場景的電路示例，為工程師在實際設計中提供了參考。

ADP1877以其豐富的特性、靈活的工作模式和完善的保護功能，成為電源管理領域一款極具競爭力的控制器。在實際應用中，工程師需根據具體需求，合理設置參數、選擇元件和進行PCB布局，以充分發揮ADP1877的性能優勢，實現高效、穩定的電源管理解決方案。你在使用ADP1877過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。