深入解析AP68255Q/AP68355Q：高性能非同步降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天我們要探討的是Diodes公司的AP68255Q/AP68355Q，這是一款內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆峭?a target="_blank">DC - DC降壓轉(zhuǎn)換器，專為汽車應(yīng)用和其他對(duì)電源要求較高的場景而設(shè)計(jì)。

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產(chǎn)品概述

AP68255Q/AP68355Q默認(rèn)頻率為300kHz，內(nèi)部集成了一個(gè)500mΩ的高端功率MOSFET，能夠提供高效的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換。它采用恒定導(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。同時(shí)，該設(shè)計(jì)針對(duì)電磁干擾（EMI）進(jìn)行了優(yōu)化，采用專有柵極驅(qū)動(dòng)方案，在不犧牲MOSFET開關(guān)時(shí)間的情況下抵抗開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，降低了MOSFET開關(guān)引起的高頻輻射EMI噪聲。產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的綠色SO - 8EP封裝。

關(guān)鍵特性

汽車級(jí)應(yīng)用資質(zhì)

AP68255Q/AP68355Q通過了AEC - Q100認(rèn)證，器件溫度等級(jí)為1級(jí)（ - 40°C至 + 125°C），HBM ESD分類為1C級(jí)，CDM ESD分類為C5級(jí)，還具備符合ISO26262的功能安全文檔，可助力功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這使得它非常適合對(duì)可靠性和安全性要求極高的汽車應(yīng)用。

寬輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為5.5V至80V，輸出電壓可在1.2V至50V之間調(diào)節(jié)，連續(xù)輸出電流方面，AP68255Q為2.5A，AP68355Q為3.5A，能夠滿足多種不同的電源需求。

保護(hù)功能齊全

具備過流保護(hù)（OCP）和熱保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，會(huì)進(jìn)入頻率折返模式，降低IC上的功耗和熱應(yīng)力；當(dāng)結(jié)溫達(dá)到160°C時(shí)，會(huì)進(jìn)行熱關(guān)斷，溫度降低后再重新啟動(dòng)。

環(huán)保設(shè)計(jì)

完全無鉛，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，且無鹵素和銻，是“綠色”器件。

引腳說明

應(yīng)用信息

PWM操作

采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，每個(gè)周期開始時(shí)，單觸發(fā)脈沖開啟高端功率MOSFET Q1一段固定的導(dǎo)通時(shí)間tON，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$t{ON}=frac{VOUT}{VIN cdot f{SW}}$。當(dāng)Q1關(guān)閉后，續(xù)流功率二極管D1導(dǎo)通，當(dāng)輸出電壓下降到調(diào)節(jié)值以下時(shí)，單觸發(fā)定時(shí)器復(fù)位，Q1再次開啟。

功率二極管選擇

需要一個(gè)外部續(xù)流二極管連接在SW和GND之間，二極管的反向電壓額定值應(yīng)等于或大于VIN最大值，最好高25%，峰值電流額定值應(yīng)大于最大峰值電感電流，肖特基二極管是不錯(cuò)的選擇，但要注意其反向泄漏電流。

使能和禁用

禁用時(shí)，關(guān)斷電源電流僅為5.6μA。當(dāng)施加的電壓大于EN邏輯高閾值（典型值1.22V）時(shí)，器件啟用所有功能并啟動(dòng)軟啟動(dòng)階段；當(dāng)EN電壓低于邏輯低閾值（典型值1.24V）時(shí)，內(nèi)部SS電壓放電到地，器件停止工作。EN引腳還可用于編程欠壓鎖定閾值。

電流限制保護(hù)

具備逐周期電流限制功能，當(dāng)峰值電感電流超過電流限制閾值時(shí)，會(huì)進(jìn)入頻率折返模式，過流情況解決后會(huì)重新啟動(dòng)軟啟動(dòng)。

熱關(guān)斷

結(jié)溫達(dá)到160°C時(shí)，會(huì)關(guān)閉高端和低端功率MOSFET，溫度降低到137°C（典型值）時(shí)，重新啟動(dòng)正常上電周期并進(jìn)行軟啟動(dòng)。

功率降額特性

為防止調(diào)節(jié)器超過最大推薦工作結(jié)溫，需要進(jìn)行熱分析，可通過$T{RISE}=PD cdot (theta{JA})$計(jì)算溫度上升，通過$T{J}=T{A}+T{RISE}$計(jì)算結(jié)溫。對(duì)于SO - 8EP封裝，$theta{JA}$為39°C/W。

輸出電壓設(shè)置

可通過外部電阻分壓器將輸出電壓從1.2V開始調(diào)節(jié)，還可使用一個(gè)10pF至470pF的電容C4來提高相位裕度和穩(wěn)定性以及瞬態(tài)性能。

元件選擇

輸入電容

用于減少從輸入電源汲取的浪涌電流和器件的開關(guān)噪聲，應(yīng)選擇RMS額定值大于最大負(fù)載電流一半的電容，通常10μF陶瓷電容和0.1μF并聯(lián)電容可滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

電感

電感值計(jì)算是降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可使用$L=frac{V{OUT} cdot (V{IN}-V{OUT})}{V{IN} cdot Delta l{L} cdot f{SW}}$計(jì)算，建議選擇電感紋波電流為最大負(fù)載電流的30%至40%，飽和電流額定值至少比最大負(fù)載電流高25%，DC電阻盡可能低的電感。

輸出電容

用于保持輸出電壓紋波小，確保反饋環(huán)路穩(wěn)定和減少輸出電壓過沖，應(yīng)選擇電容值充足且ESR低的電容，22μF陶瓷電容通常可滿足大多數(shù)應(yīng)用。

二極管

需要一個(gè)外部二極管連接在SW和GND之間，反向電壓額定值應(yīng)等于或大于VIN，電流額定值應(yīng)高于電感的峰值電流，PDS5100Q、SDT5A100P5和SDT8A120P5肖特基二極管是不錯(cuò)的選擇。

自舉

內(nèi)部HS FET驅(qū)動(dòng)器配備BST欠壓檢測（UV）電路，當(dāng)BST和SW之間的電壓差低于2V時(shí)，會(huì)使一個(gè)小的10Ω LS FET導(dǎo)通400ns以對(duì)自舉電容充電。

布局建議

由于AP68255Q/AP68355Q是高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器，布局時(shí)要注意開關(guān)電流干擾，應(yīng)使用寬而短的印刷電路走線以最小化互連阻抗。建議頂層和底層使用2oz銅，輸入電容應(yīng)盡可能靠近VIN和GND，電感靠近SW，輸出電容靠近GND，反饋組件靠近FB。如果使用四層或更多層PCB，至少將第2層和第3層用作GND以最大化熱性能，并在GND引腳和VIN引腳周圍添加盡可能多的過孔以進(jìn)行散熱。

訂購與封裝信息

訂購信息

封裝尺寸

SO - 8EP封裝有詳細(xì)的尺寸規(guī)格，如高度A為1.40 - 1.50mm（典型值1.45mm），寬度D為4.85 - 4.95mm（典型值4.90mm）等，具體可參考http://www.diodes.com/package - outlines.html。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，你是否遇到過類似電源管理芯片在布局和元件選擇上的難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。AP68255Q/AP68355Q以其豐富的特性和良好的性能，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個(gè)可靠的選擇，但在具體應(yīng)用中仍需根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。