探秘SGM6620/SGM6620A：25V、20A同步升壓轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，選擇一款合適的升壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們就來深入了解一下SGMICRO推出的SGM6620/SGM6620A 25V、20A同步升壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特之處能滿足我們的設(shè)計(jì)需求。

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一、產(chǎn)品概述

SGM6620系列是為高功率應(yīng)用量身定制的20A谷值開關(guān)電流限制同步升壓轉(zhuǎn)換器。它集成了一個(gè)典型值為9.8mΩ的高端MOSFET，這不僅能最大程度提高效率，還能減小便攜式應(yīng)用的整體解決方案尺寸。此外，該系列還支持級(jí)聯(lián)操作，可進(jìn)一步提高功率密度。

SGM6620系列支持2.05V至23V的寬輸入電壓范圍，適用于單節(jié)或多節(jié)鋰電池、USB PD3.0等多種輸入源，輸出電壓可在4.5V至25V之間進(jìn)行廣泛的可編程設(shè)置。

它采用自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流控制拓?fù)鋪碚{(diào)節(jié)輸出電壓，并通過MODE引腳提供操作模式選擇。在輕載時(shí)可消耗最小電流，在中等到重載條件下自動(dòng)切換到脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式。SGM6620A還提供輕載超聲模式，將PFM頻率鉗位在30kHz（典型值）以上。

同時(shí)，該系列集成了輸出過壓保護(hù)（OVP）、逐周期過流保護(hù)（OCP）和熱關(guān)斷等多種保護(hù)功能，采用綠色TQFN - 2.5×3 - 14AL封裝。

二、產(chǎn)品特性

（一）寬輸入輸出電壓范圍

輸入電壓范圍為2.05V至23V，輸出電壓范圍為4.5V至25V，這種寬范圍的設(shè)計(jì)使得它能夠適應(yīng)各種不同的電源和負(fù)載要求。啟動(dòng)時(shí)的最小輸入電壓為2.35V，還支持10A至20A（典型值）的可編程谷值電流限制。

（二）不同型號(hào)的開關(guān)頻率

SGM6620的開關(guān)頻率典型值為290kHz，而SGM6620A在超聲模式下的開關(guān)頻率典型值為30kHz，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

（三）集成高端FET與多相功能

集成了9.8mΩ（典型值）的高端FET，支持堆疊多相操作，可用于高輸出電流應(yīng)用，還能與外部時(shí)鐘同步，并且具有精確的EN/UVLO閾值。

（四）豐富的保護(hù)功能

具備輸出過壓保護(hù)、逐周期過流保護(hù)和熱關(guān)斷等保護(hù)功能，能有效保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三、引腳配置與描述

SGM6620/SGM6620A采用TQFN - 2.5×3 - 14AL封裝，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，ILIM引腳用于設(shè)置電感器谷值電流限制，通過連接外部電阻與AGND引腳來實(shí)現(xiàn)；FB引腳是電壓反饋引腳，使用電阻分壓器來設(shè)置所需的輸出電壓；MODE引腳用于模式選擇，高電平為強(qiáng)制PWM模式，低電平為自動(dòng)PFM模式（SGM6620A還有超聲模式）。

四、電氣特性

在不同的工作條件下，SGM6620/SGM6620A展現(xiàn)出了穩(wěn)定的電氣性能。例如，輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、靜態(tài)電流、關(guān)斷電流等參數(shù)都有明確的規(guī)定。在典型工作條件下，開關(guān)頻率、高端MOSFET導(dǎo)通電阻、最小關(guān)斷時(shí)間、最小導(dǎo)通時(shí)間等參數(shù)也都有相應(yīng)的典型值，這些參數(shù)為工程師的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

五、典型性能特性

通過一系列的圖表，我們可以直觀地看到SGM6620/SGM6620A在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，高端MOSFET導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系、EN/UVLO上升電壓與溫度的關(guān)系、參考電壓與溫度的關(guān)系等。在效率方面，無論是自動(dòng)PFM模式還是FPWM模式，都展示了不同輸入電壓和輸出電流下的效率曲線，幫助工程師更好地評(píng)估其在實(shí)際應(yīng)用中的效率表現(xiàn)。

六、詳細(xì)工作原理與功能模式

（一）自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流控制

SGM6620系列使用這種控制拓?fù)鋪碚{(diào)節(jié)輸出電壓。在中等到重載條件下，以準(zhǔn)恒定頻率的PWM模式運(yùn)行，通過改變導(dǎo)通時(shí)間來維持近似恒定的290kHz（典型值）頻率。在輕載條件下，可通過MODE引腳選擇脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式或強(qiáng)制脈沖寬度調(diào)制（FPWM）模式。

（二）欠壓鎖定（UVLO）

集成的UVLO功能可保護(hù)設(shè)備在輸入電壓不足時(shí)避免故障，并防止電池過度放電。當(dāng)VIN引腳電壓低于下降的UVLO閾值（典型值1.9V）時(shí)，設(shè)備停止工作；當(dāng)VIN引腳電壓高于上升的UVLO閾值（典型值2.2V）時(shí)，設(shè)備開始工作。VCC引腳也有UVLO功能，當(dāng)VCC低于UVLO閾值（典型值1.8V）時(shí)，設(shè)備禁用。

（三）使能和可編程UVLO

具有雙功能的使能和欠壓鎖定電路，通過精確的UVLO電壓閾值和滯回電流，可支持可編程的輸入欠壓鎖定，防止輸入電壓緩慢變化且有噪聲時(shí)的開關(guān)抖動(dòng)。

（四）軟啟動(dòng)

具備7.5ms（典型值）的軟啟動(dòng)功能，可減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。當(dāng)輸入電壓有效且EN輸入為高電平時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)電容充電，隨著電容電壓上升，誤差放大器的輸出逐漸增加，直到軟啟動(dòng)電容電壓超過內(nèi)部參考電壓。

（五）開關(guān)頻率和外部時(shí)鐘同步

SGM6620的開關(guān)頻率典型值為290kHz，并且可以通過M/SYNC引腳與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，適用于對(duì)噪聲敏感或涉及多相的應(yīng)用。但外部時(shí)鐘頻率必須在默認(rèn)開關(guān)頻率的±20%范圍內(nèi)，且時(shí)鐘信號(hào)需滿足一定的電平要求和脈沖寬度要求。

（六）堆疊多相操作

SGM6620系列支持堆疊多相操作，兩個(gè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)主/從堆疊轉(zhuǎn)換器，最多可將4個(gè)設(shè)備并聯(lián)以滿足更高的功率要求。多相操作可顯著降低電感器電流和電容器紋波電流的峰值，提高有效開關(guān)頻率，從而最大程度減小電感器和電容器的尺寸。

（七）不同功能模式

1. 強(qiáng)制PWM（FPWM）模式

在這種模式下，SGM6620系列從滿載到空載都鎖定在PWM模式，輕載時(shí)允許有負(fù)電感器電流以繼續(xù)PWM操作。雖然犧牲了輕載效率，但可以獲得較低的輸出紋波、更好的輸出調(diào)節(jié)、無 audible 噪聲并保持開關(guān)頻率固定。為避免低端開關(guān)出現(xiàn)致命的負(fù)電流，該電流限制在 - 5A。在FPWM模式下，全負(fù)載范圍內(nèi)都可進(jìn)行同步。

2. 自動(dòng)PFM模式

該模式可提高輕載時(shí)的效率。隨著負(fù)載電流減小，誤差放大器輸出相應(yīng)降低，以減少谷值電感器電流。當(dāng)負(fù)載進(jìn)一步減小時(shí)，高端FET導(dǎo)通期間電感器電流達(dá)到0A，內(nèi)部過零檢測(cè)比較器觸發(fā)關(guān)閉高端FET，防止負(fù)電流流動(dòng)，并等待下一個(gè)時(shí)鐘脈沖開啟低端FET。當(dāng)負(fù)載電流繼續(xù)減小時(shí)，誤差放大器輸出降至PFM閾值電壓并被鉗位，設(shè)備進(jìn)入PFM模式，跳過脈沖以提供足夠的功率給負(fù)載并維持輸出電壓穩(wěn)定。

3. 超聲模式

僅SGM6620A具備此模式，將MODE引腳拉低至邏輯低電平可配置為超聲模式，將輕載時(shí)的開關(guān)頻率鉗位在30kHz（典型值）以上，避免 audible 噪聲。隨著負(fù)載增加，設(shè)備自動(dòng)提高開關(guān)頻率以滿足負(fù)載需求。

（八）其他保護(hù)功能

1. 過壓保護(hù)

集成了過壓保護(hù)（OVP）功能，當(dāng)輸出電壓達(dá)到26.5V（典型值）的OVP閾值時(shí)，設(shè)備停止開關(guān)操作；當(dāng)輸出電壓比OVP閾值低1V時(shí)，設(shè)備恢復(fù)開關(guān)操作。

2. 熱關(guān)斷

為防止設(shè)備過熱損壞，內(nèi)置了熱保護(hù)功能。當(dāng)結(jié)溫超過160°C（典型值）時(shí)，開關(guān)停止；當(dāng)結(jié)溫下降20°C（典型值）時(shí)，設(shè)備恢復(fù)運(yùn)行。

七、應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）應(yīng)用場(chǎng)景

SGM6620系列適用于USB Type - C電源、智能音箱等多種應(yīng)用場(chǎng)景，能夠提供高達(dá)25V的輸出電壓和20A的谷值開關(guān)電流。

（二）設(shè)計(jì)要求與步驟

1. 設(shè)置輸出電壓

通過連接在VOUT和FB引腳之間的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓。為獲得最佳輸出電壓精度，建議選擇合適的(R_2)值，使流經(jīng)(R_2)的電流是流入FB引腳泄漏電流的100倍以上，同時(shí)較低的(R_2)電阻還可提高設(shè)備的抗噪能力。(R1)電阻可通過公式(R{1}=frac{(V{OUT } - V{REF }) × R{2}}{V{REF }})計(jì)算得出。

2. 輸入電容器選擇

升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容器在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有連續(xù)電流，建議在VIN引腳和GND引腳之間盡可能靠近地放置一個(gè)22μF的陶瓷電容器。對(duì)于SGM6620/A與輸入源距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用，建議使用更高電容的電容器或額外的“大容量”電容器（電解或鉭電容）來抑制線束電感。

3. 電感器選擇

電感器是DC/DC開關(guān)模式電源的關(guān)鍵元件，其電感值、直流電阻和飽和電流是選擇的重要標(biāo)準(zhǔn)。一般設(shè)計(jì)時(shí)，所選電感應(yīng)在滿載和標(biāo)稱輸入電壓下提供約為平均電感器電流30%的峰 - 峰紋波電流。通過公式(L{MIN }=frac{V{INMIN } times(V{OUTMAX } - V{INMIN })}{Delta I{L} × f{SW } × V{OUT_MAX }})可計(jì)算所需的最小電感值。SGM6620系列優(yōu)化的電感范圍為2.2μH至4.7μH，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。同時(shí)，建議選擇較低DCR的電感器以提高轉(zhuǎn)換效率，但較小電感值會(huì)增加峰 - 峰電流和AC磁芯損耗，需要在電感尺寸和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

4. 自舉和VCC電容器選擇

內(nèi)部調(diào)節(jié)器使用0.1μF的陶瓷電容器為柵極驅(qū)動(dòng)器提供偏置電壓，建議選擇質(zhì)量好、ESR低且額定電壓為10V或更高的陶瓷電容器。BOOT電容器在高端MOSFET關(guān)斷且外部低端二極管導(dǎo)通時(shí)刷新。SGM6620系列內(nèi)部LDO輸出5V的穩(wěn)壓電壓，在VCC引腳和GND引腳之間連接一個(gè)大于2.2μF的陶瓷電容器，建議選擇X7R或X5R等級(jí)、額定電壓高于10V的陶瓷電容器，以穩(wěn)定VCC電壓并解耦噪聲。

5. MOSFET選擇

外部低端功率MOSFET的(V{DS})額定值必須能夠承受最大輸出電壓加上瞬態(tài)尖峰。在選擇MOSFET時(shí)，需要平衡與MOSFET導(dǎo)通電阻和總柵極電荷（Qg）相關(guān)的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。同時(shí)，要注意死區(qū)時(shí)間的限制，確保低端和高端MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。對(duì)于高開關(guān)頻率設(shè)計(jì)，無引腳封裝更好，可最小化驅(qū)動(dòng)電路中的寄生電感。連接電阻到柵極時(shí)要小心，以免縮短實(shí)際死區(qū)時(shí)間。此外，MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器電流由VCC供電，要確保柵極閾值電壓((V{TH}))低于最小輸入電壓，以保證MOSFET完全導(dǎo)通。

6. 輸出電容器選擇

升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容器決定了輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。通過公式(C{MIN }=frac{I{OUT } times(V{OUT } - V{INMIN })}{f{SW } × Delta V × V_{OUT }})可估算實(shí)現(xiàn)所需輸出電壓紋波所需的最小電容值。選擇電容器時(shí)要考慮陶瓷電容器的直流偏置效應(yīng)，所選電容器的額定電壓應(yīng)高于最大工作輸出電壓30%以上。使用鉭或鋁電解電容器時(shí)，要考慮ESR來計(jì)算輸出電壓紋波。

7. 環(huán)路穩(wěn)定性

SGM6620系列的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用外部實(shí)現(xiàn)，以提高設(shè)計(jì)靈活性。通過在COMP引腳連接由(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})組成的II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來配置環(huán)路響應(yīng)。根據(jù)功率級(jí)小信號(hào)環(huán)路響應(yīng)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)傳遞函數(shù)，確定誤差放大器和功率級(jí)的極點(diǎn)和零點(diǎn)后，可設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的元件值。設(shè)計(jì)的環(huán)路交叉頻率((f{C}))應(yīng)在RHPZ頻率((f{RHPZ}))的1/5或開關(guān)頻率的1/10以內(nèi)，以避免不穩(wěn)定。通過公式可計(jì)算(R{COMP})、(C{COMP})和(C{P})的值，當(dāng)應(yīng)用僅使用陶瓷電容器或計(jì)算出的(C{P})值小于10pF時(shí)，(C{P})可以不需要。為確保良好的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，相位裕度應(yīng)大于45°，增益裕度應(yīng)大于10dB，以提供良好的環(huán)路穩(wěn)定性并避免負(fù)載和線路瞬態(tài)時(shí)輸出電壓的振蕩。

8. 電源供應(yīng)建議

SGM6620系列可在2.05V至23V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。如果輸入電源與設(shè)備距離較遠(yuǎn)，除了陶瓷電容器外，可能還需要額外的大容量電容器。

9. 布局指南

布局對(duì)于開關(guān)模式電源的性能至關(guān)重要。不良的布局可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、EMI故障和設(shè)備損壞。因此，應(yīng)將電感器、輸入電容器和輸出電容器盡可能靠近IC放置，并使用寬而短的走線來承載電流，以最小化PCB寄生電感。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電容器從VOUT引腳回到設(shè)備GND引腳的電流環(huán)路應(yīng)盡可能小，連接SW節(jié)點(diǎn)的走線應(yīng)盡可能短。建議在SGM6620/A下方設(shè)置接地層，以最小化層間耦合。由于SGM6620/A的功率密度較高，承載電流的SW、VOUT、VIN和PGND引腳應(yīng)連接大的銅多邊形，以確保良好的熱性能，并建議在這些節(jié)點(diǎn)上設(shè)置熱過孔。

八、總結(jié)

SGM6620/SGM6620A同步升壓轉(zhuǎn)換器憑借其寬輸入輸出電壓范圍、豐富的功能模式、強(qiáng)大的保護(hù)功能以及靈活的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為電子工程師在高功率應(yīng)用設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。無論是在便攜式設(shè)備、USB Type - C電源還是智能音箱等領(lǐng)域，都能發(fā)揮出其卓越的性能。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)考慮各個(gè)元件的選擇和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。你在使用類似升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。