雙降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器LM2717及其應(yīng)用設(shè)計(jì)
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概述
lm2717是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款全新的高性能轉(zhuǎn)換器。該芯片內(nèi)含兩顆降壓脈寬調(diào)制 (pwm) 直流/直流轉(zhuǎn)換器，其中一顆專門用來提供固定輸出3.3v電壓，而另一顆則專門用來提供可調(diào)節(jié)輸出電壓。這兩顆轉(zhuǎn)換器芯片都設(shè)有導(dǎo)通狀態(tài)電阻
( rdson)低至只有0.16 的內(nèi)部開關(guān)，以確保可以發(fā)揮最高的轉(zhuǎn)換效率，而且工作頻率可以在300khz與600khz之間的范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)可以采用較小巧的外置元件。每一顆轉(zhuǎn)換器也可以用自己的關(guān)閉引腳單獨(dú)進(jìn)行關(guān)閉。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于薄膜晶體管液晶顯示器（tft-lcd）、掌控裝置、便攜式應(yīng)用和膝上型電腦。
該芯片主要特性如下：
固定3.3v輸出電壓降壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)電流是2.2a、電阻是0.16 的內(nèi)部開關(guān)；
可調(diào)降壓轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)電流是3.2a、電阻是0.16 的內(nèi)部開關(guān)；
工作輸入電壓范圍是4-20v；
低電壓輸入保護(hù)；
可調(diào)工作頻率范圍是300-600khz；
小巧的24腳tssop封裝。
引腳功能
圖1為lm2717的引腳排列，各引腳的基本功能如下（括號(hào)中為引腳號(hào)）：pgnd（1,2,11,12）：電源地。agnd和pgnd必須在產(chǎn)品上直接連在一起。
agnd（3,9,10）：模擬地。agnd和pgnd必須在產(chǎn)品上直接連在一起。
fb1（4）：固定降壓輸出電壓的反饋輸入端。
vc1（3）：固定降壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接引腳。連接到電壓誤差放大器的輸出端。
vbg （6）：帶隙連接。
vc2（7）：可調(diào)降壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接引腳。連接到電壓誤差放大器的輸出端
fb2（8）：可調(diào)降壓輸出電壓的反饋輸入端。
agnd（9,10）：模擬地。agnd和pgnd必須直接在產(chǎn)品上接在一起。
sw2（13）：可調(diào)降壓電源開關(guān)輸入端。該開關(guān)連接在vin和 sw2引腳之間。
vin（14,15,23）：模擬電源輸入端。 vin引腳應(yīng)該在產(chǎn)品上直接連接起來。
cb2(16)：可調(diào)降壓轉(zhuǎn)換器自舉電容連接引腳。
shdn2（17）：可調(diào)降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉引腳。低電壓時(shí)激活。
ss2（5）：可調(diào)降壓軟啟動(dòng)引腳。
fslct（19）：轉(zhuǎn)換頻率選擇輸入端。利用一個(gè)電阻來設(shè)置在300-600khz范圍內(nèi)的頻率。
ss1（20）：固定降壓軟啟動(dòng)引腳。
shdn1（21）：固定降壓轉(zhuǎn)換器的關(guān)閉引腳。低電壓時(shí)激活。
cb1(22)：固定降壓轉(zhuǎn)換器自舉電容連接引腳。
sw1（24）：固定降壓電源開關(guān)輸入端。開關(guān)連接在vin和sw1引腳之間。
工作原理
圖2是lm2717內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖。該器件有專門的保護(hù)電路，正常操作時(shí)它會(huì)運(yùn)行起來保護(hù)這個(gè)集成電路（ic）。當(dāng)器件溫度過高時(shí)，熱關(guān)閉電路會(huì)切斷電源。uvp比較放大器在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間保護(hù)電源裝置，以防止在最小輸入電壓以下工作。ovp比較器被用來防止輸出電壓在沒有負(fù)荷情況下上升，它允許在全負(fù)荷條件下的全脈寬調(diào)制（pwm）。當(dāng)降低供給電流大約到10 a時(shí)，該芯片也會(huì)對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出關(guān)閉模式特性（都工作在關(guān)閉模式）。
該芯片內(nèi)含電流模式的脈寬調(diào)制降壓調(diào)整器。降壓調(diào)整器逐步把輸入電壓降低到一個(gè)較低的輸出電壓。在導(dǎo)通模式下（當(dāng)電感電流在穩(wěn)定狀態(tài)下從來不會(huì)為零時(shí)），降壓調(diào)整器有兩個(gè)工作周期。電源開關(guān)連接在vin和sw1及sw2引腳之間。
在第一個(gè)工作周期里，晶體管關(guān)閉，二極管反向偏倚。能量收集在電感當(dāng)中，負(fù)荷電流是由cout和通過電感增加的電流提供。在第二個(gè)工作周期中，晶體管打開，二極管前向偏倚，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芩查g改變方向。貯存在電感當(dāng)中的能量被轉(zhuǎn)移到負(fù)荷和輸出電容。這兩個(gè)周期的的比率決定著輸出電壓，輸出電壓近似地定義為：
公式中d是開關(guān)的占空因數(shù)，d和d為設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要。
應(yīng)用設(shè)計(jì)
圖3所示是lm2717的典型應(yīng)用電路。圖中，vin是整個(gè)應(yīng)用電路的電壓輸入端，vout1是固定降壓轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端， vout2是可調(diào)節(jié)降壓轉(zhuǎn)換器的電壓輸出端。cin、cout
、css、cboot 、l分別是輸入電容、輸出電容、軟啟動(dòng)電容、自舉電容、電感器，這幾個(gè)器件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。這里主要介紹利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一些主要外部器件的選擇原則及應(yīng)注意的問題。
(1)外部器件選擇
輸出電壓是使用反饋引腳和連接到輸出端的電阻分配器設(shè)計(jì)的，如圖3所示。反饋引腳電壓是1.26v，因此根據(jù)下面的等式，由反饋電阻的比來設(shè)計(jì)輸出電壓：
在輸入引腳和電源地之間需要一個(gè)低esr（等效電阻）的鋁、鉭或者陶瓷輸入電容cin。輸入電容防止輸入端出現(xiàn)瞬時(shí)高電壓。輸入電容的選擇是基于rms電流和電壓要求的。rms電流由下式給出：
當(dāng)輸入電壓vin等于2vout時(shí)，rms電流達(dá)到最大值（ iout/2）。應(yīng)該對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器分別計(jì)算這個(gè)值，然后相加給出一個(gè)總的rms電流等級(jí)。對(duì)于一個(gè)鋁或陶瓷電容來說，電壓等級(jí)應(yīng)該至少高于輸入電壓最大值的25%。如果使用的是一個(gè)鉭電容，需要電壓等級(jí)大約是輸入電壓最大值的2倍。對(duì)于較低負(fù)載電流輸出應(yīng)用和較少動(dòng)態(tài)（快速變化）負(fù)載環(huán)境來說，最小電容值應(yīng)該是47 f。對(duì)于較低輸出負(fù)載電流應(yīng)用和較少動(dòng)態(tài)負(fù)載環(huán)境來說，推薦使用一個(gè)大小是68 f到100 f之間的低esr電容。也推薦把一個(gè)小陶瓷電容（o.1 f到4.7 f）放在輸入引腳和接地引腳之間以減少高頻突刺。
電感的最關(guān)鍵參數(shù)是電感系數(shù) 、峰值電流和直流（dc）阻抗。電感系數(shù)與峰與峰之間的電感波紋電流、輸入和輸出電壓有關(guān)（對(duì)于工作頻率是300khz）：
l=frac{(v_{in}-v_{out})v_{out}}{v_{in} i_{ripple} 300khz}
較高的波紋電流能減小電感系數(shù)，但是會(huì)增加電感和開關(guān)裝置的電導(dǎo)損失、核損失和電流壓力。對(duì)于同樣輸出電壓波紋要求，它也需要一個(gè)比較大的輸出電容。設(shè)置波紋電流是直流電（dc）輸出電流的30%是合理的。因?yàn)椴y電流會(huì)隨著輸入電壓增加，最大輸入電壓總是會(huì)消弱電感系數(shù)。電感的直流電（dc）阻抗是功效的一個(gè)主要參數(shù)。較低的直流電阻抗利用一個(gè)較大的線圈可實(shí)現(xiàn)。在功效和核大小之間的一個(gè)好的折衷方案是讓電感銅損失等于輸出電壓的2%。
輸出電容(cout)的選擇受最大允許輸出電壓波紋影響。輸出電壓波紋在固定頻率脈寬調(diào)制模式中的近似為：
esr在決定電壓波紋時(shí)通常起著支配作用。推薦使用低esr的鋁電解電容或鉭電容。溫度低于零下25 c時(shí)不推薦使用電解電容，因?yàn)槠鋏sr在寒冷環(huán)境中急劇上升。陶瓷或鉭電容在低溫時(shí)有較好的esr規(guī)格，對(duì)于低溫應(yīng)用它是首選的。
自舉電容cboot推薦使用4.7nf或者較大一點(diǎn)的陶瓷電容。對(duì)于輸入電壓小于2倍輸出電壓的應(yīng)用，推薦使用更大的電容。
該芯片沒有允許快速啟動(dòng)的內(nèi)部軟啟動(dòng)，但是也會(huì)產(chǎn)生高涌入電流。因此，對(duì)于需要減少涌入電流的應(yīng)用，該芯片有限制dc/dc轉(zhuǎn)換調(diào)整器啟動(dòng)時(shí)涌入電流的電路。涌入電流限制電路充當(dāng)軟啟動(dòng)。外部的css引腳用來調(diào)整軟啟動(dòng)進(jìn)行特殊的應(yīng)用。電流iss影響著外部軟啟動(dòng)電容
，軟啟動(dòng)時(shí)間可估計(jì)為：
該芯片的關(guān)閉引腳可以用1.8v或者更高的邏輯信號(hào)進(jìn)行控制。如果引腳的關(guān)閉功能不使用，可以放開。關(guān)閉引腳的最大電壓應(yīng)該不超過7.5v。如果因?yàn)橄到y(tǒng)或者其它方面的約束，關(guān)閉引腳的使用需要更高的電壓，推薦在應(yīng)用電壓引腳和關(guān)閉引腳之間放置一個(gè)100k
或者更大的電阻來保護(hù)該裝置。
(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題
該芯片使用兩個(gè)獨(dú)立的接地，pgnd用于驅(qū)動(dòng)器和升壓式nmos電源裝置，agnd用于靈敏的模擬控制電路。agnd和pgnd引腳應(yīng)該在包裝上直接連接在一起。反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該直接連接到一個(gè)專門模擬地平臺(tái)，這個(gè)模擬地平臺(tái)必須連接到agnd管腳。如果沒有模擬地平臺(tái)可用，反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須直接連接到agnd管腳。把這些網(wǎng)絡(luò)連接到pgnd引腳會(huì)給系統(tǒng)增加噪聲。輸入旁路電容cin，如圖3所示，必須放置靠近集成電路（ic）。這將減少影響集成電路輸入電壓波紋的銅線阻抗。為過濾額外輸入電壓，放置一個(gè)0.1 f到4.7 f旁路電容與cin并聯(lián)，靠近vin引腳，以防止任何高頻噪聲入地。輸出電容cout1和cout2 也應(yīng)該被放置靠近集成電路（ic）。對(duì)輸出電容coutx的銅線連接能夠增加連續(xù)阻抗，將直接影響輸出電壓波紋。反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻 rfb1和rfb2應(yīng)該保持靠近fb引腳，遠(yuǎn)離電感器，使增加系統(tǒng)噪聲的銅線連接最小化。電感器和肖特基(schottky)二極管線連接時(shí)應(yīng)該最小化，以減少電源損耗并提高總體效率。
結(jié)束語(yǔ)
目前，廠商越來越喜歡采用可以調(diào)節(jié)輸出電壓的電源分配結(jié)構(gòu)，以便為系統(tǒng)的特殊應(yīng)用集成電路及數(shù)字信號(hào)處理器提供穩(wěn)壓供電。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司這款全新的降壓/降壓轉(zhuǎn)換器不但具有高度的靈活性，而且性能極為卓越，是適合這些負(fù)載結(jié)構(gòu)采用的理想解決方案。
評(píng)論