SGM64200：雙輸出或雙相同步降壓控制器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討SGM64200這款雙輸出或雙相同步降壓控制器，它在服務(wù)器、電信基站、網(wǎng)絡(luò)交換機和路由器等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

SGM64200集成了兩個同步降壓控制器，可配置為兩個獨立的單相輸出或一個雙相輸出。通過外部引腳，還能將兩個設(shè)備以主從模式連接，提供四個單相輸出或兩個雙相輸出，并且可以調(diào)整連接設(shè)備的開關(guān)相位，實現(xiàn)四相交錯。該設(shè)備的輸入電壓范圍為3V至20V，具有0.6V的精確參考電壓。

1.1 主要特性

• 靈活的輸出配置：支持兩個單相或一個雙相輸出，滿足不同應(yīng)用需求。
• 同步功能：SYNC引腳具有單周期時鐘恢復(fù)功能，PHASE引腳可實現(xiàn)0°/180°或90°/270°操作。
• 主從模式：兩個設(shè)備可工作在主從模式，拓展輸出能力。
• 寬輸入電壓范圍：3V至20V的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 精確參考電壓：600mV的精確參考電壓，精度為±0.75%。
• 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在0.6V至5.4V之間調(diào)節(jié)。
• 可調(diào)頻率：開關(guān)頻率可在100kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)。
• 多種保護功能：具備過流、過壓、欠壓保護以及熱關(guān)斷保護等功能。

二、引腳配置與功能

2.1 引腳配置

2.2 引腳功能詳解

• 同步引腳（SYNC）：在主模式下，SYNC引腳輸出內(nèi)部2倍自由運行時鐘，占空比為50%。在從模式下，設(shè)備可以同步到外部時鐘，外部時鐘頻率范圍為內(nèi)部2倍自由運行時鐘的±20%。
• 頻率設(shè)置引腳（FREQ）：通過連接電阻到AGND來設(shè)置內(nèi)部自由運行時鐘，該引腳通常調(diào)節(jié)在0.8V。
• 使能引腳（EN1、EN2/RGND）：用于控制相應(yīng)通道的啟動和停止，通過連接電容到AGND可以實現(xiàn)軟啟動功能。
• 反饋引腳（FB1、FB2）：誤差放大器的反相輸入，當輸出電壓穩(wěn)定時，該引腳電壓應(yīng)為0.6V。
• 過流閾值引腳（OCTH1、OCTH2/RSNS）：通過連接電阻到AGND來調(diào)節(jié)相應(yīng)通道的過流限制。

三、電氣特性

3.1 輸入電源特性

• 輸入電壓范圍：3V至20V，滿足大多數(shù)應(yīng)用的電源需求。
• 關(guān)斷電流：當EN1/EN2為0V時，關(guān)斷電流為170至240μA。
• 靜態(tài)電流：非開關(guān)狀態(tài)下，當VFB = 0.65V且EN1/EN2浮空時，靜態(tài)電流為5.2至7mA。

3.2 振蕩器和斜坡發(fā)生器特性

• 振蕩器頻率：通過FREQ引腳連接的電阻設(shè)置，典型值為500kHz，范圍為100kHz至1MHz。
• 斜坡幅度：峰 - 峰值為VVIN/8.5V。
• 谷底電壓：0.85V。

3.3 誤差放大器和電壓參考特性

• FB輸入電壓：在-40℃至+125℃溫度范圍內(nèi)，為593至607mV。
• FB輸入偏置電流：10至130nA。
• 單位增益帶寬：24MHz。
• 開環(huán)增益：80dB。

3.4 其他特性

還包括軟啟動、過流保護、過壓和欠壓保護、柵極驅(qū)動器等方面的特性，這些特性確保了SGM64200在各種應(yīng)用中的穩(wěn)定性和可靠性。

四、詳細工作原理

4.1 電壓參考

SGM64200采用600mV的帶隙基準電壓，連接到放大器的正輸入端。該參考電壓可以在單位增益配置下進行調(diào)整，消除應(yīng)用中的電壓偏差，其0.5%的公差允許用戶設(shè)計非常精確的電源。

4.2 輸出電壓設(shè)置

輸出電壓通過外部電阻進行調(diào)節(jié)，公式為： [V{OUT }=0.6 V timesleft(1+frac{R{A}}{R{BIAS }}right)] 其中，(R{A})和(R_{BIAS})為外部電阻。

4.3 輸入電壓前饋

通過添加電壓前饋，SGM64200在輸入電壓變化時保持功率級增益恒定，并對線路轉(zhuǎn)換具有快速響應(yīng)。同時，簡單的功率級也簡化了環(huán)路設(shè)計。

4.4 電流檢測

采用差分電流檢測方法檢測輸出電流，可以使用電感的DCR或精密電流檢測電阻。當使用DCR檢測電流時，需要并聯(lián)RC濾波器來濾除電感的交流電壓分量。

4.5 過流保護

每個通道都有OCTH引腳來監(jiān)控電流。當電感電流超過設(shè)定閾值時，SGM64200將逐周期限制電流。當連續(xù)三次出現(xiàn)過流情況時，高端MOSFET和低端MOSFET將關(guān)閉，控制器開始打嗝。經(jīng)過六次軟啟動過程后，芯片將進入重啟模式。

4.6 雙相模式、遠程感應(yīng)放大器和電流共享環(huán)路

SGM64200可以工作在高電流雙相模式下，通過連接FB2到VDD6V和COMP1與COMP2，可以實現(xiàn)雙相電流共享，平衡兩相的發(fā)熱。遠程感應(yīng)放大器用于補償輸出電壓降，使遠程電壓調(diào)整到設(shè)定值。

4.7 啟動和關(guān)機

• 啟動順序：當ENx引腳拉低到0.3V以下時，相應(yīng)通道關(guān)閉。釋放ENx引腳后，內(nèi)部40μA電流源開始對軟啟動電容充電，當電容電壓超過0.7V時，內(nèi)部VDD6V線性穩(wěn)壓器啟用。
• 預(yù)偏置輸出啟動：支持預(yù)偏置啟動，在軟啟動過程中，直到(VSS_INT)超過FB電壓才會產(chǎn)生PWM脈沖。
• 關(guān)機：關(guān)機時，VDD6V由EN控制，如果兩個通道的EN引腳都拉低，無論輸入電壓是否超過編程的UVLO，VDD6V都將被禁用。

4.8 開關(guān)頻率和主從同步

開關(guān)頻率由FREQ引腳連接到GND的電阻決定，公式為： [R{FREQ }=frac{20 times 10^{9}}{f{sw }}] 其中，(f_{sw})為所需的開關(guān)頻率。SGM64200還可以通過外部時鐘進行同步，外部時鐘頻率范圍為內(nèi)部主時鐘頻率的±20%。

4.9 過壓和欠壓故障保護

通過檢測FB引腳采樣的電壓實現(xiàn)過壓/欠壓檢測。當出現(xiàn)欠壓情況時，設(shè)備將進入打嗝模式，直到故障恢復(fù)。當出現(xiàn)過壓情況時，設(shè)備將關(guān)閉高端MOSFET并鎖定低端MOSFET，將輸出電流釋放到功率良好窗口內(nèi)的調(diào)節(jié)水平。

4.10 輸入欠壓鎖定（UVLO）

通過VINS引腳的電阻分壓器可以編程所需的閾值電壓。

4.11 電源良好指示

SGM64200每個通道都有引腳指示輸出是否良好，這些引腳為開漏輸出，當反饋電壓（VFB）不在標稱值的±12.5%范圍內(nèi)或軟啟動功能激活時，PG引腳將拉低。

4.12 熱關(guān)斷

當芯片結(jié)溫達到+150℃的熱關(guān)斷閾值時，PWM振蕩器將關(guān)閉，高端和低端驅(qū)動器也將關(guān)閉。當芯片冷卻到+130℃時，PWM開始軟啟動。

五、應(yīng)用信息

5.1 雙輸出模式

5.1.1 設(shè)計目標

5.1.2 器件選擇

• 電感選擇：根據(jù)電感電流紋波為20%至40%的設(shè)計標準，選擇合適的電感。在本設(shè)計中，計算得到電感值約為0.736μH，實際選擇0.88μH的電感。
• 輸出電容選擇：考慮瞬態(tài)響應(yīng)，通過公式計算輸出電容的最小值。在本設(shè)計中，選擇兩個220μF的鋁電解電容和多個陶瓷電容來滿足紋波和輸出響應(yīng)的要求。
• MOSFET選擇：選擇CSD86330，該器件集成兩個MOS，尺寸為3mm×3mm，可通過20A電流。
• ILIM電阻選擇：根據(jù)電感和DCR的時間常數(shù)關(guān)系計算電阻值，同時考慮檢測電流運算放大器的最大輸入電壓，必要時進行分壓。
• 反饋分壓器選擇：使用內(nèi)部參考電壓為0.6V的運算放大器，選擇合適的電阻值來設(shè)置輸出電壓。
• 補償網(wǎng)絡(luò)選擇：使用SGM64200環(huán)路計算工具，設(shè)置50kHz帶寬和50°相位裕度，通過實驗調(diào)整參數(shù)得到合適的補償網(wǎng)絡(luò)值。
• 自舉電容選擇：為了正常驅(qū)動高端FET，限制BST電容的紋波小于100mV，計算得到電容值約為70nF，實際選擇100nF。

5.2 雙相模式

5.2.1 設(shè)計目標

5.2.2 引腳連接

在雙相模式下，部分引腳的連接方式如下： | 引腳 | 連接