深入剖析AP61200/AP61201/AP61202/AP61203同步降壓轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要，它直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討一下DIODES公司的AP61200/AP61201/AP61202/AP61203系列同步降壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

AP61200/AP61201/AP61202/AP61203是一款輸入電壓范圍為2.3V至5.5V、輸出電流可達(dá)2A的同步降壓轉(zhuǎn)換器。它將一個(gè)110mΩ的高端功率MOSFET和一個(gè)80mΩ的低端功率MOSFET完全集成在一起，能夠提供高效的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換。該系列采用了恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制，減少了外部元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)、易于環(huán)路穩(wěn)定和低輸出電壓紋波，并且采用SOT563封裝。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電氣特性

• 寬輸入輸出范圍：輸入電壓范圍為2.3V至5.5V，輸出電壓范圍為0.6V至3.6V，能適應(yīng)多種電源和負(fù)載需求。
• 大電流輸出：可提供2A的連續(xù)輸出電流，滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的供電要求。
• 低靜態(tài)電流：在脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式下，靜態(tài)電流低至19μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 高開關(guān)頻率：在(VIN = 5V)、(VOUT = 1.8V)時(shí)，開關(guān)頻率為1.3MHz，有利于減小外部電感和電容的尺寸。
• 高效率：在5mA輕載條件下，效率可達(dá)89%，提高了能源利用率。

2.2 工作模式

• 脈沖頻率調(diào)制（PFM）：AP61200和AP61202在輕載條件下進(jìn)入PFM模式，自動(dòng)降低開關(guān)頻率，以提高輕載效率。
• 強(qiáng)制脈沖寬度調(diào)制（PWM）：AP61201和AP61203采用強(qiáng)制PWM模式，適用于對(duì)輸出紋波要求較高的場(chǎng)合。

2.3 保護(hù)功能

• 欠壓鎖定（UVLO）：當(dāng)輸入電壓低于1.84V時(shí)，芯片關(guān)閉，保護(hù)芯片免受低電壓影響。
• 過壓保護(hù)（OVP）：輸入電壓高于6.3V時(shí)，芯片關(guān)閉，防止過壓損壞。
• 過流保護(hù)（OCP）：具有逐周期谷值電流限制和峰值電流限制保護(hù)，當(dāng)電流過大時(shí)，及時(shí)關(guān)閉功率MOSFET。
• 熱關(guān)斷（TSD）：當(dāng)結(jié)溫達(dá)到160°C時(shí)，芯片關(guān)閉，溫度降低到130°C時(shí)恢復(fù)正常工作。

2.4 其他特性

• 電源良好指示（PG）：AP61202和AP61203具有開漏電源良好輸出，方便監(jiān)測(cè)輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
• 環(huán)保特性：完全無鉛，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，無鹵素和銻，是“綠色”器件。

三、引腳說明

四、工作原理

4.1 脈沖寬度調(diào)制（PWM）操作

在每個(gè)周期開始時(shí)，單觸發(fā)脈沖將高端功率MOSFET Q1開啟一個(gè)固定的導(dǎo)通時(shí)間(t{ON})，導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比，計(jì)算公式為(t{ON}=frac{VOUT}{VIN cdot f{SW}})。導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，進(jìn)入關(guān)斷時(shí)間(t{OFF})，當(dāng)反饋電壓低于參考電壓時(shí)，新的周期開始。

4.2 脈沖頻率調(diào)制（PFM）操作

AP61200/AP61202在輕載條件下進(jìn)入PFM模式，自動(dòng)降低開關(guān)頻率以提高效率。當(dāng)輸出電流減小，電感電流最終達(dá)到0A時(shí)，進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），此時(shí)Q1和Q2都關(guān)閉，負(fù)載電流僅由輸出電容提供。當(dāng)(VFB)低于0.6V時(shí)，下一個(gè)周期開始，Q1開啟。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 輸出電壓設(shè)置

可通過外部電阻分壓器來調(diào)節(jié)輸出電壓，R2可由公式(R2=frac{0.6 cdot R1}{VOUT - 0.6V})計(jì)算得出。文檔中給出了不同輸出電壓下推薦的電阻值，工程師可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

5.2 電感選擇

電感值的計(jì)算是設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，可使用公式(L=frac{VOUT cdot(VIN - VOUT)}{VIN cdot Delta I{L} cdot f{SW}})計(jì)算，其中(Delta I{L})選擇為最大負(fù)載電流2A的30%至50%。電感的峰值電流(I{L{PEAK}}=I{LOAD}+frac{Delta I_{L}}{2})，應(yīng)選擇飽和電流額定值合適的電感，一般推薦1.0μH至1.5μH、直流電流額定值比最大負(fù)載電流高至少35%的電感，且直流電阻小于50mΩ。

5.3 輸入電容選擇

輸入電容用于減少?gòu)妮斎腚娫醇橙〉睦擞侩娏骱推骷拈_關(guān)噪聲，應(yīng)選擇低ESR的電解電容或陶瓷電容，如10μF或更大的陶瓷電容，以滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。輸入電容的RMS電流額定值應(yīng)高于RMS輸入電流，一般選擇RMS電流額定值大于最大負(fù)載電流一半的電容。

5.4 輸出電容選擇

輸出電容用于保持輸出電壓紋波小、確保反饋環(huán)路穩(wěn)定以及減少負(fù)載瞬變時(shí)輸出電壓的過沖和下沖。輸出電容的有效電容(COUT)可根據(jù)公式計(jì)算，應(yīng)選擇電容值大、ESR低的電容，如10μF至22μF的陶瓷電容。同時(shí)，為滿足負(fù)載瞬變要求，(COUT)應(yīng)滿足不等式(COUT > max(frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V{Overshoot} cdot VOUT}, frac{L cdot I{Trans}^{2}}{Delta V{Undershoot} cdot(VIN - VOUT)}))。

六、PCB布局建議

• 散熱考慮：由于該系列可提供2A的負(fù)載電流，散熱是PCB布局的主要關(guān)注點(diǎn)，建議頂層和底層使用2oz銅。
• 元件放置：輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN和GND；電感應(yīng)靠近SW；輸出電容應(yīng)靠近GND；反饋元件應(yīng)靠近FB。
• 過孔添加：在GND引腳周圍和GND平面下方、VIN引腳周圍和VIN平面下方添加盡可能多的過孔，以利于散熱。

七、總結(jié)

AP61200/AP61201/AP61202/AP61203系列同步降壓轉(zhuǎn)換器具有寬輸入輸出范圍、高電流輸出、低功耗、高效率和多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)，適用于5V分布式電源總線供電、白色家電、FPGA、DSP、ASIC供電、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線路由器和消費(fèi)電子等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇外部元件和進(jìn)行PCB布局，能夠充分發(fā)揮該系列芯片的性能，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨多嘗試這款芯片，看看它能為你的設(shè)計(jì)帶來怎樣的驚喜。