AP61041：高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備小型化、低功耗化的今天，電源管理芯片的性能和特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。今天我們就來(lái)深入了解一款優(yōu)秀的同步降壓轉(zhuǎn)換器——AP61041。

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一、AP61041概述

AP61041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，使其在健身可穿戴設(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)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。該芯片經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可搭配2.2μH電感以及10μF的輸入和輸出電容使用，能夠在2.15V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)提供400mA的輸出電流。

二、工作原理

AP61041采用自適應(yīng)、恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的同步降壓架構(gòu)，內(nèi)部集成了功率MOSFET。這種恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方式能夠確保出色的線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率，并且具備較寬的等效環(huán)路帶寬，從而對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

它的工作過(guò)程是，由降壓控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的高端功率PMOS（Q1）和低端功率NMOS（Q2）。其可以從2.15V - 5.5V的非穩(wěn)壓直流電源（如電池）獲取能量，輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍從低至0.6V到高至5.5V。輸出電壓的選擇通過(guò)VSEL1和VSEL2引腳進(jìn)行預(yù)編程，這為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電壓需求提供了靈活的解決方案。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有沒(méi)有遇到過(guò)因?yàn)檩敵鲭妷哼x擇不當(dāng)而導(dǎo)致的問(wèn)題呢？

三、關(guān)鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.15V至5.5V的輸入電壓范圍，使其能夠適配多種電源，如常見(jiàn)的鋰電池等，增加了其在不同設(shè)備中的通用性。
2. 高效輸出：可提供400mA的連續(xù)輸出電流，效率最高可達(dá)95%，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中損耗較小，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間，對(duì)于可穿戴設(shè)備等對(duì)功耗敏感的應(yīng)用尤為重要。
3. 超低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流低至1.7μA（最大2.5μA），在輕載情況下能夠最大程度地提高效率，進(jìn)一步降低功耗。
4. 高開關(guān)頻率：1.1MHz的開關(guān)頻率，允許使用較小的外部電感和電容，有助于減小電路板的尺寸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。
5. 多種保護(hù)功能：具備欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)（OTP）等功能，全方位保護(hù)電路安全，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

AP61041 高效同步降壓轉(zhuǎn)換器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用解析

在當(dāng)今電子設(shè)備追求小型化、低功耗、高性能的時(shí)代，電源管理芯片的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。今天我們就來(lái)深入探討一款備受關(guān)注的同步降壓轉(zhuǎn)換器——AP61041。

一、產(chǎn)品概述

AP61041是一款低電流、同步降壓轉(zhuǎn)換器。它具有高效率、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，使其在健身可穿戴設(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)備等對(duì)功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。該芯片經(jīng)過(guò)優(yōu)化，推薦搭配2.2μH的電感器以及10μF的輸入和輸出電容器使用，能夠在2.15V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)，提供高達(dá)400mA的輸出電流。

二、工作原理

AP61041采用自適應(yīng)、恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的同步降壓架構(gòu)，內(nèi)部集成了功率MOSFET。這種恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方式能夠確保出色的線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率，并且具備較寬的等效環(huán)路帶寬，從而對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

它的工作過(guò)程是，由降壓控制器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的高端功率PMOS（Q1）和低端功率NMOS（Q2）。其可以從2.15V - 5.5V的非穩(wěn)壓直流電源（如電池）獲取能量，輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍從低至0.6V到高至5.5V。輸出電壓的選擇通過(guò)VSEL1和VSEL2引腳進(jìn)行預(yù)編程，這為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電壓需求提供了靈活的解決方案。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有沒(méi)有遇到過(guò)因?yàn)檩敵鲭妷哼x擇不當(dāng)而導(dǎo)致的問(wèn)題呢？

三、關(guān)鍵特性

1. 寬輸入電壓范圍：2.15V至5.5V的輸入電壓范圍，使其能夠適配多種電源，如常見(jiàn)的鋰電池等，增加了其在不同設(shè)備中的通用性。
2. 高效輸出：可提供400mA的連續(xù)輸出電流，效率最高可達(dá)95%，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中損耗較小，有助于延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間，對(duì)于可穿戴設(shè)備等對(duì)功耗敏感的應(yīng)用尤為重要。
3. 超低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流低至1.7μA（最大2.5μA），在輕載情況下能夠最大程度地提高效率，進(jìn)一步降低功耗。
4. 高開關(guān)頻率：1.1MHz的開關(guān)頻率，允許使用較小的外部電感和電容，有助于減小電路板的尺寸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)。
5. 多種保護(hù)功能：具備欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)（OTP）等功能，全方位保護(hù)電路安全，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

同步降壓轉(zhuǎn)換器的保護(hù)功能是保障電路穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。就像AP61041的過(guò)流保護(hù)功能，它通過(guò)檢測(cè)高端功率MOSFET（Q1）的電流來(lái)保護(hù)設(shè)備免受過(guò)載和短路的影響。當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到設(shè)定的峰值時(shí)，高端Q1會(huì)關(guān)閉，低端Q2開啟，同時(shí)降低頻率以防止設(shè)備損壞。如果在17個(gè)連續(xù)周期內(nèi)都處于過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，調(diào)節(jié)器會(huì)進(jìn)入打嗝模式，所有功率FET關(guān)閉，等待15ms后再嘗試重啟。這種精確的保護(hù)機(jī)制，讓我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)更加放心。大家在實(shí)際應(yīng)用中，是否也感受到了這些保護(hù)功能的重要性呢？

四、引腳功能與輸出電壓設(shè)置

需要注意的是，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)。此外，除了預(yù)選擇的反饋電壓，還可以通過(guò)外部電阻分壓器從反饋電壓調(diào)整輸出電壓，同時(shí)需要添加一個(gè)39pF的CFF電容來(lái)保持輸出穩(wěn)定。計(jì)算公式為： $R 1=frac{R 2 *left(V{O U T}-V{F B}right)}{V_{F B}}$

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 外部元件選擇
   • 電感器：應(yīng)選擇具有高頻磁芯材料（如鐵氧體磁芯）的電感器，以減少磁芯損耗并提供良好的效率。電感必須能夠承受峰值開關(guān)電流而不飽和，推薦使用飽和電流額定值≥600mA的2.2μH電感器，同時(shí)選擇低直流電阻（DCR）的電感以提高效率。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。
   • 輸入和輸出電容器：輸入和輸出電容器應(yīng)選用具有低等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷X5R類型。推薦輸入電容值為10μF，以提供足夠的RMS電流來(lái)最小化輸入電壓紋波，且最小需要10μF才能維持元件的完整功能。推薦的輸出電容為10μF、10V、X5R，但要注意陶瓷電容的有效電容值會(huì)隨著直流電壓偏置而降低，可能降至額定電容的30%，需參考電容數(shù)據(jù)手冊(cè)確保在整個(gè)推薦負(fù)載電流范圍內(nèi)，組合的有效輸出電容至少為30μF，否則可能導(dǎo)致負(fù)載瞬態(tài)時(shí)輸出電壓大幅下降或運(yùn)行不穩(wěn)定。
2. PCB布局
   • AP61041在400mA負(fù)載電流下工作，建議頂層和底層使用2oz銅。正確的PCB布局對(duì)于其正常運(yùn)行至關(guān)重要，以下是一些布局的通用準(zhǔn)則：
     • 輸入和輸出電容器應(yīng)直接跨接在VIN - PGND之間，并盡可能靠近IC，以確保無(wú)噪聲運(yùn)行。
     • 輸入和輸出電容器的接地連接應(yīng)盡可能短，目的是最小化輸入和輸出電容器接地焊盤與IC的PGND引腳之間的電流環(huán)路，必要時(shí)可使用過(guò)孔利用調(diào)節(jié)器下方的PCB接地層。
     • 第二層填充PGND，單點(diǎn)將GND連接到第二層的PGND。
     • 最小化反饋回路上的走線長(zhǎng)度，避免拾取開關(guān)噪聲，反饋回路上應(yīng)避免使用過(guò)孔，以減少電路板寄生效應(yīng)的影響，特別是在負(fù)載瞬態(tài)期間。
     • SW走線應(yīng)短。

六、結(jié)語(yǔ)

AP61041憑借其高效、低功耗、多功能保護(hù)以及靈活的輸出電壓設(shè)置等特性，為各類低功耗電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇外部元件并優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用AP61041或者類似的同步降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，有沒(méi)有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)或者遇到過(guò)什么難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。