雙降壓直流/直流轉換器LM2717及其應用設計
加入技術交流群
概述
lm2717是美國國家半導體公司推出的一款全新的高性能轉換器。該芯片內含兩顆降壓脈寬調制 (pwm) 直流/直流轉換器，其中一顆專門用來提供固定輸出3.3v電壓，而另一顆則專門用來提供可調節(jié)輸出電壓。這兩顆轉換器芯片都設有導通狀態(tài)電阻
( rdson)低至只有0.16 的內部開關，以確保可以發(fā)揮最高的轉換效率，而且工作頻率可以在300khz與600khz之間的范圍內加以調節(jié)，使系統(tǒng)可以采用較小巧的外置元件。每一顆轉換器也可以用自己的關閉引腳單獨進行關閉。該產品廣泛應用于薄膜晶體管液晶顯示器（tft-lcd）、掌控裝置、便攜式應用和膝上型電腦。
該芯片主要特性如下：
固定3.3v輸出電壓降壓轉換器具有一個電流是2.2a、電阻是0.16 的內部開關；
可調降壓轉換器具有一個電流是3.2a、電阻是0.16 的內部開關；
工作輸入電壓范圍是4-20v；
低電壓輸入保護；
可調工作頻率范圍是300-600khz；
小巧的24腳tssop封裝。
引腳功能
圖1為lm2717的引腳排列，各引腳的基本功能如下（括號中為引腳號）：pgnd（1,2,11,12）：電源地。agnd和pgnd必須在產品上直接連在一起。
agnd（3,9,10）：模擬地。agnd和pgnd必須在產品上直接連在一起。
fb1（4）：固定降壓輸出電壓的反饋輸入端。
vc1（3）：固定降壓補償網(wǎng)絡連接引腳。連接到電壓誤差放大器的輸出端。
vbg （6）：帶隙連接。
vc2（7）：可調降壓補償網(wǎng)絡連接引腳。連接到電壓誤差放大器的輸出端
fb2（8）：可調降壓輸出電壓的反饋輸入端。
agnd（9,10）：模擬地。agnd和pgnd必須直接在產品上接在一起。
sw2（13）：可調降壓電源開關輸入端。該開關連接在vin和 sw2引腳之間。
vin（14,15,23）：模擬電源輸入端。 vin引腳應該在產品上直接連接起來。
cb2(16)：可調降壓轉換器自舉電容連接引腳。
shdn2（17）：可調降壓轉換器的關閉引腳。低電壓時激活。
ss2（5）：可調降壓軟啟動引腳。
fslct（19）：轉換頻率選擇輸入端。利用一個電阻來設置在300-600khz范圍內的頻率。
ss1（20）：固定降壓軟啟動引腳。
shdn1（21）：固定降壓轉換器的關閉引腳。低電壓時激活。
cb1(22)：固定降壓轉換器自舉電容連接引腳。
sw1（24）：固定降壓電源開關輸入端。開關連接在vin和sw1引腳之間。
工作原理
圖2是lm2717內部結構方框圖。該器件有專門的保護電路，正常操作時它會運行起來保護這個集成電路（ic）。當器件溫度過高時，熱關閉電路會切斷電源。uvp比較放大器在電源啟動和關閉期間保護電源裝置，以防止在最小輸入電壓以下工作。ovp比較器被用來防止輸出電壓在沒有負荷情況下上升，它允許在全負荷條件下的全脈寬調制（pwm）。當降低供給電流大約到10 a時，該芯片也會對每一個轉換器表現(xiàn)出關閉模式特性（都工作在關閉模式）。
該芯片內含電流模式的脈寬調制降壓調整器。降壓調整器逐步把輸入電壓降低到一個較低的輸出電壓。在導通模式下（當電感電流在穩(wěn)定狀態(tài)下從來不會為零時），降壓調整器有兩個工作周期。電源開關連接在vin和sw1及sw2引腳之間。
在第一個工作周期里，晶體管關閉，二極管反向偏倚。能量收集在電感當中，負荷電流是由cout和通過電感增加的電流提供。在第二個工作周期中，晶體管打開，二極管前向偏倚，因為電感電流不能瞬間改變方向。貯存在電感當中的能量被轉移到負荷和輸出電容。這兩個周期的的比率決定著輸出電壓，輸出電壓近似地定義為：
公式中d是開關的占空因數(shù)，d和d為設計計算時需要。
應用設計
圖3所示是lm2717的典型應用電路。圖中，vin是整個應用電路的電壓輸入端，vout1是固定降壓轉換器的電壓輸出端， vout2是可調節(jié)降壓轉換器的電壓輸出端。cin、cout
、css、cboot 、l分別是輸入電容、輸出電容、軟啟動電容、自舉電容、電感器，這幾個器件在設計時應重點考慮。這里主要介紹利用該芯片進行設計時一些主要外部器件的選擇原則及應注意的問題。
(1)外部器件選擇
輸出電壓是使用反饋引腳和連接到輸出端的電阻分配器設計的，如圖3所示。反饋引腳電壓是1.26v，因此根據(jù)下面的等式，由反饋電阻的比來設計輸出電壓：
在輸入引腳和電源地之間需要一個低esr（等效電阻）的鋁、鉭或者陶瓷輸入電容cin。輸入電容防止輸入端出現(xiàn)瞬時高電壓。輸入電容的選擇是基于rms電流和電壓要求的。rms電流由下式給出：
當輸入電壓vin等于2vout時，rms電流達到最大值（ iout/2）。應該對兩個轉換器分別計算這個值，然后相加給出一個總的rms電流等級。對于一個鋁或陶瓷電容來說，電壓等級應該至少高于輸入電壓最大值的25%。如果使用的是一個鉭電容，需要電壓等級大約是輸入電壓最大值的2倍。對于較低負載電流輸出應用和較少動態(tài)（快速變化）負載環(huán)境來說，最小電容值應該是47 f。對于較低輸出負載電流應用和較少動態(tài)負載環(huán)境來說，推薦使用一個大小是68 f到100 f之間的低esr電容。也推薦把一個小陶瓷電容（o.1 f到4.7 f）放在輸入引腳和接地引腳之間以減少高頻突刺。
電感的最關鍵參數(shù)是電感系數(shù) 、峰值電流和直流（dc）阻抗。電感系數(shù)與峰與峰之間的電感波紋電流、輸入和輸出電壓有關（對于工作頻率是300khz）：
l=frac{(v_{in}-v_{out})v_{out}}{v_{in} i_{ripple} 300khz}
較高的波紋電流能減小電感系數(shù)，但是會增加電感和開關裝置的電導損失、核損失和電流壓力。對于同樣輸出電壓波紋要求，它也需要一個比較大的輸出電容。設置波紋電流是直流電（dc）輸出電流的30%是合理的。因為波紋電流會隨著輸入電壓增加，最大輸入電壓總是會消弱電感系數(shù)。電感的直流電（dc）阻抗是功效的一個主要參數(shù)。較低的直流電阻抗利用一個較大的線圈可實現(xiàn)。在功效和核大小之間的一個好的折衷方案是讓電感銅損失等于輸出電壓的2%。
輸出電容(cout)的選擇受最大允許輸出電壓波紋影響。輸出電壓波紋在固定頻率脈寬調制模式中的近似為：
esr在決定電壓波紋時通常起著支配作用。推薦使用低esr的鋁電解電容或鉭電容。溫度低于零下25 c時不推薦使用電解電容，因為其esr在寒冷環(huán)境中急劇上升。陶瓷或鉭電容在低溫時有較好的esr規(guī)格，對于低溫應用它是首選的。
自舉電容cboot推薦使用4.7nf或者較大一點的陶瓷電容。對于輸入電壓小于2倍輸出電壓的應用，推薦使用更大的電容。
該芯片沒有允許快速啟動的內部軟啟動，但是也會產生高涌入電流。因此，對于需要減少涌入電流的應用，該芯片有限制dc/dc轉換調整器啟動時涌入電流的電路。涌入電流限制電路充當軟啟動。外部的css引腳用來調整軟啟動進行特殊的應用。電流iss影響著外部軟啟動電容
，軟啟動時間可估計為：
該芯片的關閉引腳可以用1.8v或者更高的邏輯信號進行控制。如果引腳的關閉功能不使用，可以放開。關閉引腳的最大電壓應該不超過7.5v。如果因為系統(tǒng)或者其它方面的約束，關閉引腳的使用需要更高的電壓，推薦在應用電壓引腳和關閉引腳之間放置一個100k
或者更大的電阻來保護該裝置。
(2)設計時應注意的問題
該芯片使用兩個獨立的接地，pgnd用于驅動器和升壓式nmos電源裝置，agnd用于靈敏的模擬控制電路。agnd和pgnd引腳應該在包裝上直接連接在一起。反饋和補償網(wǎng)絡應該直接連接到一個專門模擬地平臺，這個模擬地平臺必須連接到agnd管腳。如果沒有模擬地平臺可用，反饋和補償網(wǎng)絡必須直接連接到agnd管腳。把這些網(wǎng)絡連接到pgnd引腳會給系統(tǒng)增加噪聲。輸入旁路電容cin，如圖3所示，必須放置靠近集成電路（ic）。這將減少影響集成電路輸入電壓波紋的銅線阻抗。為過濾額外輸入電壓，放置一個0.1 f到4.7 f旁路電容與cin并聯(lián)，靠近vin引腳，以防止任何高頻噪聲入地。輸出電容cout1和cout2 也應該被放置靠近集成電路（ic）。對輸出電容coutx的銅線連接能夠增加連續(xù)阻抗，將直接影響輸出電壓波紋。反饋網(wǎng)絡的電阻 rfb1和rfb2應該保持靠近fb引腳，遠離電感器，使增加系統(tǒng)噪聲的銅線連接最小化。電感器和肖特基(schottky)二極管線連接時應該最小化，以減少電源損耗并提高總體效率。
結束語
目前，廠商越來越喜歡采用可以調節(jié)輸出電壓的電源分配結構，以便為系統(tǒng)的特殊應用集成電路及數(shù)字信號處理器提供穩(wěn)壓供電。美國國家半導體公司這款全新的降壓/降壓轉換器不但具有高度的靈活性，而且性能極為卓越，是適合這些負載結構采用的理想解決方案。
評論