AL8890Q/AL88902Q同步降壓轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和適用性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們將深入探討Diodes公司的AL8890Q/AL88902Q同步降壓轉(zhuǎn)換器，從其特點(diǎn)、功能描述到應(yīng)用設(shè)計(jì)，為大家提供全面的技術(shù)解析。

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產(chǎn)品概述

AL8890Q/AL88902Q是一款具備內(nèi)部補(bǔ)償功能的同步降壓轉(zhuǎn)換器，其開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)節(jié)至2.5MHz。該器件集成了120mΩ的高端功率MOSFET和55mΩ的低端功率MOSFET，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的DC - DC轉(zhuǎn)換。AL8890Q可支持高達(dá)3.5A的連續(xù)負(fù)載電流，而AL88902Q則可支持高達(dá)2.5A的連續(xù)負(fù)載電流，在增強(qiáng)偏置條件下效率高達(dá)95%。它采用電流模式控制操作，易于實(shí)現(xiàn)環(huán)路穩(wěn)定，適用于恒壓（CV）和恒流（CC）應(yīng)用。此外，該器件有TSSOP - 16EP和可焊U - QFN4040 - 16/SWP（Type UXB）兩種封裝可供選擇，有助于簡(jiǎn)化電路板布局并減少空間需求。

產(chǎn)品特性

寬輸入輸出電壓范圍

該器件的輸入電壓范圍為3.8V至60V，輸出電壓范圍為0.8V至接近輸入電壓的100%，且輸出電壓精度可達(dá)1%。這種寬電壓范圍的設(shè)計(jì)使得它能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入和應(yīng)用需求。

高效同步整流

采用同步整流技術(shù)，在12V輸入時(shí)效率超過(guò)95%，能夠有效降低功耗，提高能源利用效率。這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備來(lái)說(shuō)尤為重要，可以減少散熱需求，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

集成功率MOSFET

集成了低導(dǎo)通電阻的高端（120mΩ）和低端（55mΩ）功率MOSFET，不僅減少了外部元件數(shù)量，降低了成本，還提高了轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)的可靠性。

低靜態(tài)電流

靜態(tài)電流僅為43μA，有助于降低待機(jī)功耗，提高系統(tǒng)的整體能效。在一些對(duì)功耗敏感的應(yīng)用中，如便攜式設(shè)備和汽車電子系統(tǒng)，低靜態(tài)電流的特性可以顯著延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率可在300kHz至2.5MHz之間調(diào)節(jié)，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的頻率，以優(yōu)化效率、紋波和元件尺寸之間的平衡。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使用更小的電感和電容，從而減小電路板面積；而較低的開(kāi)關(guān)頻率則可以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。

多種工作模式和保護(hù)功能

支持強(qiáng)制PWM或PFM模式，可通過(guò)MSYNC引腳進(jìn)行選擇，還能與外部時(shí)鐘同步。同時(shí)，具備多種保護(hù)功能，如過(guò)流保護(hù)、欠壓鎖定、熱關(guān)斷保護(hù)等，能夠有效保護(hù)器件和系統(tǒng)免受異常情況的損害。這些保護(hù)功能可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少故障發(fā)生的概率。

工作原理

電流模式控制

AL8890Q/AL88902Q采用電流模式控制，通過(guò)感應(yīng)電感電流來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，具有良好的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化。

內(nèi)部補(bǔ)償

芯片內(nèi)部集成了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，可以減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，提高設(shè)計(jì)效率。

不同工作模式

在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，通過(guò)電流放大器和斜率補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出；在輕載時(shí)，則自動(dòng)進(jìn)入脈沖跳過(guò)模式（PFM），降低開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。這種根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)切換工作模式的方式，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率，特別是在輕載情況下，能夠顯著降低功耗。

開(kāi)關(guān)頻率對(duì)元件選擇的影響

開(kāi)關(guān)頻率的選擇會(huì)直接影響電感、電容等元件的參數(shù)。較高的開(kāi)關(guān)頻率可以使用更小的電感和電容，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗；較低的開(kāi)關(guān)頻率則相反。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求和性能要求，綜合考慮開(kāi)關(guān)頻率和元件參數(shù)的選擇。例如，在對(duì)體積要求較高的應(yīng)用中，可以選擇較高的開(kāi)關(guān)頻率，以減小電感和電容的尺寸；而在對(duì)效率要求較高的應(yīng)用中，則可以選擇較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

輸出電壓設(shè)置

通過(guò)外部電阻分壓器可以將輸出電壓從0.8V開(kāi)始調(diào)節(jié)，文檔中提供了常見(jiàn)輸出電壓的電阻選擇列表。同時(shí)，可使用一個(gè)10pF至470pF的電容C4來(lái)提高相位裕度，改善穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。

工作頻率設(shè)定

默認(rèn)開(kāi)關(guān)頻率為500kHz，可通過(guò)從FS引腳到GND連接一個(gè)電阻將頻率設(shè)定在300kHz至2.5MHz之間。也可以通過(guò)MSYNC引腳與外部信號(hào)同步，推薦使用至少250ns的脈沖寬度。在選擇工作頻率時(shí)，需要考慮最小導(dǎo)通時(shí)間和輸入輸出電壓等因素，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

元件選擇

1. 輸入電容：用于減少輸入電源的浪涌電流和開(kāi)關(guān)噪聲，應(yīng)選擇具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和足夠RMS電流額定值的電容，一般推薦使用10μF陶瓷電容和0.1μF并聯(lián)電容。
2. 電感：電感值的計(jì)算是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可根據(jù)公式$L=frac{V{OUT } cdotleft(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } cdot Delta l{L} cdot f{SW}}$計(jì)算，其中$Delta I{L}$為電感紋波電流，$f{SW}$為開(kāi)關(guān)頻率。建議選擇電感紋波電流為最大負(fù)載電流的30% - 40%，并確保電感的飽和電流額定值足夠大。
3. 輸出電容：用于保持輸出電壓紋波小，確保反饋環(huán)路穩(wěn)定和減少輸出電壓過(guò)沖，應(yīng)選擇具有適當(dāng)電容值和低ESR的電容，一般22μF陶瓷電容可滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

保護(hù)功能設(shè)計(jì)

1. 過(guò)流保護(hù)：采用逐周期電流限制，當(dāng)電感峰值電流超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。若在32個(gè)周期內(nèi)有17個(gè)周期發(fā)生過(guò)流，器件進(jìn)入打嗝模式，周期性重啟以降低芯片功耗和熱應(yīng)力。
2. 欠壓鎖定（UVLO）：通過(guò)監(jiān)測(cè)VCC電壓和內(nèi)部帶隙參考，當(dāng)VCC電壓低于3.45V時(shí)，器件禁用，防止因輸入電壓不足而損壞。也可通過(guò)EN引腳和電阻分壓器調(diào)整UVLO閾值。
3. 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)芯片結(jié)溫達(dá)到165°C時(shí)，關(guān)閉高低端功率MOSFET；當(dāng)溫度降至145°C時(shí)，重新啟動(dòng)并進(jìn)行軟啟動(dòng)。

布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

減少開(kāi)關(guān)電流干擾

由于AL8890Q/AL88902Q是高開(kāi)關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器，布局時(shí)要注意開(kāi)關(guān)電流的干擾。應(yīng)使用寬而短的印刷電路走線，以減小互連阻抗，降低電壓瞬變。

元件布局

輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN和GND，電感靠近SW，輸出電容靠近GND，反饋組件靠近FB。這樣可以減少信號(hào)傳輸?shù)木嚯x和干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

多層PCB設(shè)計(jì)

推薦使用四層PCB，至少將第二層和第三層作為GND層，以最大化散熱性能。同時(shí)，在GND引腳和VIN引腳周圍及下方添加盡可能多的過(guò)孔，以提高散熱效率。

總結(jié)

AL8890Q/AL88902Q是一款性能優(yōu)異的同步降壓轉(zhuǎn)換器，適用于多種汽車和工業(yè)應(yīng)用。其寬輸入輸出電壓范圍、高效同步整流、可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率等特性，為工程師提供了靈活的設(shè)計(jì)選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇元件、優(yōu)化布局和充分利用保護(hù)功能，能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否也遇到過(guò)類似的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。