ADP2325：高性能雙輸出降壓調(diào)節(jié)器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的一環(huán)。今天，我們要深入探討一款功能強大的電源管理芯片——ADP2325，它是一款雙輸出降壓型 DC - DC 調(diào)節(jié)器，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。

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一、核心性能參數(shù)與特性

1. 輸入輸出特性

ADP2325 的輸入電壓范圍為 4.5 V 至 20 V，輸出電壓可低至 0.6 V，輸出精度高達 ±1%。它有靈活的輸出配置，既可以實現(xiàn)雙 5 A 輸出，也能通過并聯(lián)實現(xiàn)單 10 A 輸出。這種靈活性使得它在不同功率需求的應(yīng)用中都能游刃有余。

2. 集成元件與頻率特性

芯片集成了典型值為 48 mΩ 的高端 MOSFET，這在一定程度上減小了芯片的體積和功耗。其開關(guān)頻率可在 250 kHz 至 1.2 MHz 之間進行編程，還支持外部同步輸入和可編程相移，或者作為內(nèi)部時鐘輸出。這種特性在多軌應(yīng)用中能有效減少干擾。

3. 工作模式與保護功能

ADP2325 支持可選的 PWM 或 PFM 模式操作。在輕負(fù)載時，PFM 模式可提高效率；而在對噪聲敏感的應(yīng)用中，強制 PWM 模式則更為合適。同時，它具備完善的保護功能，包括欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護（OVP）、過流保護和熱關(guān)斷，能有效保障系統(tǒng)的可靠性。

二、工作原理剖析

1. 控制方案

ADP2325 采用固定頻率、電流模式的 PWM 控制架構(gòu)。在中等到滿載時，通過調(diào)整集成 N 溝道 MOSFET 的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓；在輕負(fù)載且 PFM 模式啟用時，會切換到節(jié)能模式，通過調(diào)整開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而降低開關(guān)損耗，提高效率。

2. 關(guān)鍵電路模塊

• 內(nèi)部穩(wěn)壓器（INTVCC）：為內(nèi)部控制電路和低端柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定的偏置電壓，建議在 INTVCC 和 GND 之間放置 1 μF 陶瓷電容。
• 自舉電路：集成了自舉調(diào)節(jié)器，在 BSTx 和 SWx 引腳之間產(chǎn)生 5 V 自舉電壓，推薦使用 0.1 μF 的 X7R 或 X5R 陶瓷電容。
• 低端驅(qū)動器：DLx 引腳為低端 N 溝道 MOSFET 提供柵極驅(qū)動，內(nèi)部電路確保開關(guān)的先斷后通，防止交叉導(dǎo)通。VDRV 引腳為低端驅(qū)動器供電，建議在該引腳附近放置 1 μF 陶瓷電容。
• 振蕩器：通過在 RT 到 GND 之間連接一個電阻來編程開關(guān)頻率，計算公式為 (f{SW}[kHz]=frac{60,000}{R{OSC}[kΩ]})。
• 同步功能：SYNC 引腳可通過設(shè)置 SCFG 引腳配置為輸入或輸出。配置為輸出時，產(chǎn)生與內(nèi)部開關(guān)頻率相同的時鐘；配置為輸入時，ADP2325 會同步到外部時鐘，且內(nèi)部時鐘需編程低于外部時鐘，相移可通過 SCFG 引腳編程。
• 軟啟動：通過在 SSx 引腳和 GND 之間放置電容來編程軟啟動時間，計算公式為 (t{SS}=frac{0.6 V × C{SS}}{I_{SS}})。在軟啟動期間，會采用頻率折返來防止輸出電流失控。
• 峰值電流限制和短路保護：通過在 DLx 和 PGND 之間放置電阻來編程峰值電流限制值，采用打嗝模式進行過流保護。同時，具備負(fù)電流限制功能，當(dāng)?shù)投?FET 電壓超過閾值時，低端 FET 會立即關(guān)閉。
• 電壓跟蹤：TRKx 引腳允許輸出電壓跟蹤外部（主）電壓，可實現(xiàn)同步跟蹤和比例跟蹤，適用于需要電源排序的 FPGA、DSP 和 ASIC 等應(yīng)用。
• 并行操作：支持 2 相并行操作，提供單 10 A 輸出。配置時需將 FB2 引腳連接到 INTVCC，將 COMP1 連接到 COMP2，EN1 連接到 EN2，使用 SS1 設(shè)置軟啟動時間，SS2 保持開路。
• 電源良好指示：PGOODx 引腳為高電平有效、開漏輸出，指示調(diào)節(jié)器輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)。
• 過壓保護：當(dāng)反饋電壓增加到 0.7 V 時，內(nèi)部高端 MOSFET 和低端驅(qū)動器關(guān)閉，直到 FBx 引腳電壓降至 0.63 V 才恢復(fù)正常操作。
• 欠壓鎖定：UVLO 閾值為 4.2 V，具有 0.5 V 滯后，防止設(shè)備上電時出現(xiàn)毛刺。
• 熱關(guān)斷：當(dāng)結(jié)溫超過 150°C 時，熱關(guān)斷電路會關(guān)閉調(diào)節(jié)器，當(dāng)溫度降至 135°C 以下時才恢復(fù)，恢復(fù)前會先進行軟啟動。

三、應(yīng)用設(shè)計要點

1. 輸入電容選擇

輸入去耦電容用于衰減輸入的高頻噪聲并作為能量存儲元件，應(yīng)選擇 10 μF 至 47 μF 的陶瓷電容，并放置在 PVINx 引腳附近。其電壓額定值必須大于最大輸入電壓，且 rms 電流額定值要滿足 (I{C{IN}-rms}=I_{OUT} × sqrt{D ×(1 - D)})。

2. 輸出電壓設(shè)置

通過外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，公式為 (V{OUT}=0.6 ×(1 + frac{R{TOP}}{R{BOT}}))。為了將 FBx 引腳偏置電流導(dǎo)致的輸出電壓精度下降限制在 0.5% 以內(nèi)，(R{BOT}) 應(yīng)小于 30 kΩ。

3. 電壓轉(zhuǎn)換限制

輸出電壓受最小導(dǎo)通時間和最小關(guān)斷時間以及最大占空比的限制。最小輸出電壓可通過 (V_{OUTMIN}=V{IN} × t_{MINON} × f{SW}-(R{DSON1}-R{DSON2}) × I_{OUTMIN} × t{MINON} × f{SW}-(R{DSON2}+R{L}) × I_{OUT_MIN}) 計算，最大輸出電壓可根據(jù)不同情況使用相應(yīng)公式計算。降低開關(guān)頻率可緩解最小導(dǎo)通時間和最小關(guān)斷時間的限制。

4. 電流限制設(shè)置

ADP2325 有兩個可選的電流限制閾值，所選電流限制值應(yīng)大于電感的峰值電流 (I_{PEAK})。

5. 電感選擇

電感值由工作頻率、輸入電壓、輸出電壓和電感紋波電流決定。一般將電感紋波電流 (Delta I{L}) 設(shè)置為最大負(fù)載電流的三分之一，電感值計算公式為 (L=frac{(V{IN}-V{OUT}) × D}{Delta I{L} × f_{SW}})。同時，電感的飽和電流必須大于電感峰值電流，推薦使用屏蔽鐵氧體磁芯材料以降低磁芯損耗和 EMI。

6. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇會影響輸出電壓紋波和調(diào)節(jié)器的環(huán)路動態(tài)。根據(jù)負(fù)載瞬態(tài)和輸出紋波要求，可使用不同公式計算所需電容值，選擇最大的電容值以滿足性能要求。輸出電容的電壓額定值必須大于輸出電壓，其最小 rms 電流額定值由 (I{C{OUT}-rms}=frac{Delta I_{L}}{sqrt{12}}) 確定。

7. 低端功率器件選擇

ADP2325 集成了低端 MOSFET 驅(qū)動器，可驅(qū)動低端 N 溝道 MOSFET。所選 MOSFET 的漏源電壓 (V{DS}) 必須高于 (1.2 × V{IN})，漏極電流 (I{D}) 必須大于 (1.2 × I{LIMIT_MAX})，且能在 5 V 下完全導(dǎo)通，總柵極電荷 (Qg) 應(yīng)小于 50 nC。在某些情況下，也可選擇二極管作為低端功率器件，但此時需將 MODE 引腳連接到地以啟用 PFM 模式。

8. 編程 UVLO 輸入

可通過精密使能輸入來編程輸入電壓的 UVLO 閾值和滯后，使用特定公式計算 (R_{TOPEN}) 和 (R{BOT_EN})。

9. 補償組件設(shè)計

在峰值電流模式控制中，通過選擇合適的補償組件 (R{C})、(C{C}) 和 (C{CP}) 來補償系統(tǒng)。一般將交叉頻率 (f{C}) 設(shè)置在 (f{sw} / 12) 和 (f{sw} / 6) 之間，然后根據(jù)相應(yīng)公式計算補償組件的值。

四、設(shè)計實例

1. 輸出電壓設(shè)置

根據(jù)公式 (R{BOT}=R{TOP} ×(frac{0.6}{V{OUT}-0.6}))，選擇 (R{TOP}=10 kΩ)，計算得出通道 1 的 (R{BOT1}=10 kΩ)，通道 2 的 (R{BOT2}=2.21 kΩ)。

2. 電流限制設(shè)置

對于 5 A 輸出電流操作，典型峰值電流限制為 8 A，此時無需 (R_{ILIM})。

3. 頻率設(shè)置

根據(jù)公式 (R{OSC}(kΩ)=frac{60,000}{f{SW}(kHz)})，計算得出 (R_{OSC}=120 kΩ)。

4. 電感選擇

將電感紋波電流 (Delta I{L}) 設(shè)置為最大輸出電流的 30%，根據(jù)公式 (L=frac{(V{IN}-V{OUT}) × D}{Delta I{L} × f_{SW}}) 計算電感值，通道 1 選擇 1.5 μH 的電感，通道 2 選擇 3.3 μH 的電感。

5. 輸出電容選擇

根據(jù)輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，使用相應(yīng)公式計算電容值和 ESR。通道 1 推薦使用三個 100 μF、X5R、6.3 V 的陶瓷電容，通道 2 推薦使用兩個 47 μF、X5R、6.3 V 的陶瓷電容。

6. 低端 MOSFET 選擇

選擇低 (R{DSON}) 的 N 溝道 MOSFET，如 Fairchild 的 FDS8880，其 (R{DSON}) 在 4.5 V 驅(qū)動電壓下為 12 mΩ，總柵極電荷為 12 nC。

7. 補償組件

將交叉頻率 (f{C}) 設(shè)置為 (f{sw} / 10)，即 50 kHz。根據(jù)相應(yīng)公式計算補償組件的值，通道 1 選擇 (R{C1}=28 kΩ)，(C{C1}=1500 pF)；通道 2 選擇 (R{C2}=27 kΩ)，(C{C2}=1500 pF)。

8. 軟啟動時間編程

將軟啟動時間設(shè)置為 3 ms，根據(jù)公式 (C{ss}=frac{I{ss} × t{ss}}{0.6 V}) 計算得出 (C{SS}=17.5 nF)，選擇標(biāo)準(zhǔn)組件值 (C{SS1}=C{SS2}=22 nF)。

9. 輸入電容選擇

選擇一個 10 μF、25 V 的 X5R 陶瓷電容，放置在 PVINx 引腳附近。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，包括使用外部 MOSFET、外部二極管、并行單輸出、啟用 PFM 模式、通道間同步相移、可編程輸入電壓閾值、通道跟蹤等不同場景的電路示例，為工程師在實際設(shè)計中提供了豐富的參考。

ADP2325 憑借其豐富的功能和靈活的配置，在通信基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器、工業(yè)和儀器儀表、醫(yī)療保健等多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。希望通過本文的介紹，能幫助電子工程師們更好地理解和應(yīng)用這款芯片，在實際設(shè)計中充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用 ADP2325 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。