電子工程師必看：AP61040高效同步降壓轉(zhuǎn)換器深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和續(xù)航能力。今天我們要深入探討的是Diodes Incorporated推出的AP61040高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，它在低功耗應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，下面就從多個(gè)方面為大家詳細(xì)解析。

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一、產(chǎn)品概述

AP61040是一款低電流同步降壓轉(zhuǎn)換器，具備高效率、出色的瞬態(tài)響應(yīng)和高直流輸出精度等優(yōu)點(diǎn)。其超低的靜態(tài)電流（IQ）特性，使其成為健身可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備以及其他手持設(shè)備等應(yīng)用的理想選擇。該調(diào)節(jié)器經(jīng)過優(yōu)化，可與2.2μH和10μF的輸出電容器配合使用，能在2.15V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)提供至少400mA的輸出電流。

在可穿戴設(shè)備和低功耗手持設(shè)備中，高效穩(wěn)定的電源管理至關(guān)重要。AP61040同步降壓轉(zhuǎn)換器以其超低IQ和出色性能脫穎而出。超低IQ能極大降低設(shè)備在待機(jī)或輕負(fù)載時(shí)的功耗，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航。其高轉(zhuǎn)換效率減少了能量在轉(zhuǎn)換過程中的損耗，降低了發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大家在設(shè)計(jì)類似設(shè)備時(shí)，是否也會(huì)優(yōu)先考慮具有這些特性的電源管理芯片呢？

二、產(chǎn)品特性

（一）寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.15V至5.5V，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V，還提供0.6V、2.5V和3.3V三個(gè)可選電壓，能適應(yīng)多種不同的電源和負(fù)載需求。

（二）高效輸出

能夠提供至少400mA的連續(xù)輸出電流，效率高達(dá)95%，同時(shí)僅930nA的靜態(tài)電流可最大化輕載效率，有效降低了功耗。

（三）高開關(guān)頻率

1.1MHz的開關(guān)頻率，有助于減小外部組件的尺寸，從而節(jié)省電路板空間。

（四）可編程操作模式

可通過EN引腳進(jìn)行可編程操作模式設(shè)置，支持脈沖頻率調(diào)制（PFM）和脈沖寬度調(diào)制（PWM），能根據(jù)不同的輸出負(fù)載靈活選擇合適的工作模式。

（五）全面保護(hù)功能

具備過流、短路、過溫和欠壓鎖定等全面的保護(hù)功能，可有效保障芯片和電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（六）環(huán)保特性

完全無鉛，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，且不含鹵素和銻，是綠色環(huán)保器件。

一、引言

在可穿戴設(shè)備和低功耗手持設(shè)備中，高效穩(wěn)定的電源管理至關(guān)重要。AP61040同步降壓轉(zhuǎn)換器以其超低IQ和出色性能脫穎而出。超低IQ能極大降低設(shè)備在待機(jī)或輕負(fù)載時(shí)的功耗，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航。其高轉(zhuǎn)換效率減少了能量在轉(zhuǎn)換過程中的損耗，降低了發(fā)熱，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大家在設(shè)計(jì)類似設(shè)備時(shí)，是否也會(huì)優(yōu)先考慮具有這些特性的電源管理芯片呢？

二、產(chǎn)品特性

（一）寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.15V至5.5V，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V，還提供0.6V、2.5V和3.3V三個(gè)可選電壓，能適應(yīng)多種不同的電源和負(fù)載需求。

（二）高效輸出

能夠提供至少400mA的連續(xù)輸出電流，效率高達(dá)95%，同時(shí)僅930nA的靜態(tài)電流可最大化輕載效率，有效降低了功耗。

（三）高開關(guān)頻率

1.1MHz的開關(guān)頻率，有助于減小外部組件的尺寸，從而節(jié)省電路板空間。

（四）可編程操作模式

可通過EN引腳進(jìn)行可編程操作模式設(shè)置，支持脈沖頻率調(diào)制（PFM）和脈沖寬度調(diào)制（PWM），能根據(jù)不同的輸出負(fù)載靈活選擇合適的工作模式。

（五）全面保護(hù)功能

具備過流、短路、過溫和欠壓鎖定等全面的保護(hù)功能，可有效保障芯片和電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（六）環(huán)保特性

完全無鉛，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，且不含鹵素和銻，是綠色環(huán)保器件。

從搜索到的資料來看，同步降壓轉(zhuǎn)換器通常具有較高的效率，AP61040的高效輸出特性與之相符，其低靜態(tài)電流和高轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升了整體性能。高開關(guān)頻率有助于減小外部無源器件的尺寸，這與AP61040通過高開關(guān)頻率節(jié)省電路板空間的特性相呼應(yīng)。而可編程操作模式和全面保護(hù)功能也是同步降壓轉(zhuǎn)換器在實(shí)際應(yīng)用中所需要的重要特性。

三、引腳說明

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)這些引腳的功能，合理連接外部電路，以實(shí)現(xiàn)AP61040的各項(xiàng)性能。例如，EN引腳的正確使用對(duì)于控制芯片的工作模式和功耗至關(guān)重要。

四、電氣特性

（一）靜態(tài)電流

關(guān)機(jī)時(shí)的靜態(tài)電流僅為34nA（典型值），工作時(shí)的靜態(tài)電流為930nA（典型值），在PFM模式下為1000nA（典型值），PWM模式下為93μA。

（二）電壓閾值

電源開啟復(fù)位電壓閾值上升沿為2.07 - 2.15V，欠壓鎖定閾值下降沿為1.90 - 2.00V，滯回為170mV。

（三）開關(guān)電阻

高端開關(guān)導(dǎo)通電阻為321 - 440mΩ，低端開關(guān)導(dǎo)通電阻為150 - 210mΩ。

（四）電流限制

高端正電流限制為600 - 800mA，低端電流限制為470mA（源極到漏極），低端負(fù)電流限制為400mA（漏極到源極）。

（五）振蕩器頻率

振蕩器頻率為1.1MHz。

（六）反饋電壓

當(dāng)VSEL1接地時(shí)，反饋電壓為2.450 - 2.550V；當(dāng)VSEL1接VIN時(shí)，反饋電壓為3.235 - 3.365V。

這些電氣特性是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，它們直接影響著AP61040的性能和穩(wěn)定性。例如，靜態(tài)電流的大小決定了芯片在待機(jī)狀態(tài)下的功耗，而電壓閾值和電流限制則關(guān)系到芯片的保護(hù)功能和正常工作范圍。

五、典型應(yīng)用

（一）應(yīng)用場(chǎng)景

適用于可穿戴設(shè)備、健身追蹤器、智能手表、健康監(jiān)測(cè)儀、藍(lán)牙低功耗設(shè)備等超低功耗應(yīng)用，以及能量收集等領(lǐng)域。

（二）典型電路

文檔中給出了典型應(yīng)用電路和功能框圖，通過這些電路可以實(shí)現(xiàn)AP61040的各項(xiàng)功能。在設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，我們可以參考這些典型電路，并根據(jù)具體需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

六、應(yīng)用信息

（一）工作原理

AP61040采用電流模式控制，集成了功率MOSFET，能夠保證出色的線性調(diào)節(jié)、負(fù)載調(diào)節(jié)和較寬的環(huán)路帶寬，以快速響應(yīng)負(fù)載瞬變。

（二）使能控制

當(dāng)禁用時(shí)，設(shè)備關(guān)機(jī)靜態(tài)電流僅為0.1μA。當(dāng)施加的電壓大于EN邏輯高閾值時(shí)，芯片啟用所有功能并啟動(dòng)軟啟動(dòng)階段；當(dāng)EN電壓低于邏輯低閾值時(shí)，設(shè)備停止工作。通過EN引腳還可以選擇PFM或PWM工作模式。

（三）輸出電壓設(shè)置

可以通過外部電阻分壓器或VSEL1引腳來設(shè)置輸出電壓。使用外部電阻分壓器時(shí)，需要添加39pF的CFF電容來改善環(huán)路響應(yīng)和保持輸出穩(wěn)定性；使用VSEL1引腳時(shí)，需要將FB直接連接到輸出，并且VSEL1和VSEL2的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間必須小于100μs，以避免出現(xiàn)未定義的電壓狀態(tài)。

（四）保護(hù)功能

1. 過流保護(hù)：檢測(cè)高端Q1的電流限制，當(dāng)達(dá)到限制時(shí)，高端Q1關(guān)閉，低端Q2打開，頻率降低。連續(xù)17個(gè)周期處于過流保護(hù)事件后，調(diào)節(jié)器進(jìn)入打嗝模式，等待15ms后嘗試重啟。
2. 反向電流保護(hù)：在固定頻率操作期間，開關(guān)Q2上的反向電流比較器監(jiān)測(cè)進(jìn)入VOUT的電流，當(dāng)電流超過400mA（典型值）時(shí)，開關(guān)Q2在剩余的開關(guān)周期內(nèi)關(guān)閉，以保護(hù)降壓轉(zhuǎn)換器免受過大的反向電流影響。
3. 欠壓鎖定：當(dāng)輸入電壓低于欠壓鎖定閾值時(shí)，調(diào)節(jié)器禁用，防止異常操作。
4. 熱關(guān)斷：當(dāng)芯片溫度達(dá)到+150°C（典型值）時(shí)，調(diào)節(jié)器完全關(guān)閉，當(dāng)溫度降至+125°C（典型值）時(shí)，設(shè)備恢復(fù)正常工作，并執(zhí)行軟啟動(dòng)序列。
5. 輸出主動(dòng)放電：芯片提供一個(gè)內(nèi)部50Ω電阻，用于在調(diào)節(jié)器禁用時(shí)將輸出電容中存儲(chǔ)的能量放電到PGND。

（五）組件選擇

1. 電感選擇：應(yīng)使用具有高頻磁芯材料（如鐵氧體磁芯）的電感，以最小化磁芯損耗并提供良好的效率。推薦使用飽和電流額定值≥600mA的2.2μH電感，并選擇具有低DCR的電感。在需要最小化輻射噪聲的應(yīng)用中，可以使用環(huán)形或屏蔽電感。
2. VIN和VOUT電容選擇：輸入和輸出電容應(yīng)選用具有低ESL和ESR的陶瓷X5R類型。推薦輸入電容值為10μF，輸出電容為10μF、10V、X5R。需要注意的是，陶瓷電容的有效值會(huì)隨直流電壓偏置而降低，應(yīng)確保組合后的有效輸出電容至少為30μF，以保證在整個(gè)推薦負(fù)載電流范圍內(nèi)正常工作。

（六）PCB布局

AP61040工作在400mA負(fù)載電流下，推薦在頂層和底層使用2oz銅。正確的PCB布局對(duì)于芯片的正常工作至關(guān)重要，以下是一些布局建議：

1. 輸入和輸出電容應(yīng)直接跨接在VIN - PGND之間，并盡可能靠近芯片，以確保無噪聲操作。
2. 輸入和輸出電容的接地連接應(yīng)盡可能短，以最小化輸入和輸出電容接地焊盤與芯片PGND引腳之間的電流環(huán)路。必要時(shí)可使用過孔，以利用調(diào)節(jié)器下方的PCB接地層。
3. 第二層填充PGND，單點(diǎn)連接GND到第二層的PGND。
4. 最小化反饋環(huán)路的走線長(zhǎng)度，避免在反饋環(huán)路上使用過孔，以減少電路板寄生效應(yīng)的影響，特別是在負(fù)載瞬變期間。
5. SW走線應(yīng)盡量短。

七、封裝信息

（一）訂購(gòu)信息

可訂購(gòu)的產(chǎn)品型號(hào)為AP61040CP6 - 7，采用X1 - WLB1208 - 6封裝，封裝代碼為CP6，包裝數(shù)量為3000，采用卷帶包裝，產(chǎn)品編號(hào)后綴為 - 7。

（二）封裝尺寸

（三）機(jī)械數(shù)據(jù)

該芯片的濕度敏感度為1級(jí)（J - STD - 020），引腳表面處理為啞光鍍錫，可焊接（MIL - STD - 202，方法208），重量約為0.7mg。

八、總結(jié)

AP61040同步降壓轉(zhuǎn)換器以其高效、低功耗、全面保護(hù)和可編程等特性，為可穿戴設(shè)備和超低功耗應(yīng)用提供了優(yōu)秀的電源管理解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)其引腳功能、電氣特性和應(yīng)用信息，合理選擇外部組件和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我們也要注意芯片的各項(xiàng)保護(hù)功能和工作條件，確保電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用AP61040進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過一些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。