深入剖析ADP1874/ADP1875：同步降壓控制器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊至關(guān)重要，而ADP1874/ADP1875同步降壓控制器憑借其出色的性能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來(lái)深入探討這款控制器的特點(diǎn)、工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

ADP1874/ADP1875是多功能電流模式同步降壓控制器，采用恒定導(dǎo)通時(shí)間、偽固定頻率和可編程電流檢測(cè)增益的電流控制方案，具備出色的瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性和電流限制保護(hù)功能。其輸入電壓范圍為2.95V至20V，最低輸出電壓可達(dá)0.6V，有300kHz、600kHz和1.0MHz三種頻率可選，ADP1875還具備輕載節(jié)能模式（PSM）。

二、關(guān)鍵特性分析

（一）性能優(yōu)勢(shì)

1. 卓越的瞬態(tài)響應(yīng)：采用恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)，能根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)變化，調(diào)整上側(cè)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，保持輸出穩(wěn)定。在負(fù)載瞬變時(shí)，可快速調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，使輸出迅速恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)。
2. 高穩(wěn)定性：通過(guò)谷值電流模式控制架構(gòu)和可編程電流檢測(cè)增益，確保在低占空比下實(shí)現(xiàn)最佳性能，有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3. 電流限制保護(hù)：基于谷值電流模式控制確定電流限制，通過(guò)外部電阻編程電流檢測(cè)增益，可根據(jù)不同應(yīng)用需求設(shè)置合適的電流限制，保護(hù)電路安全。

（二）節(jié)能設(shè)計(jì)

ADP1875的節(jié)能模式（PSM）可在輕載到中載電流時(shí)，工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）并進(jìn)行脈沖跳躍，避免負(fù)電流產(chǎn)生，提高輕載時(shí)的系統(tǒng)效率。

（三）功能集成

集成了內(nèi)部MOSFET驅(qū)動(dòng)器、自舉二極管、LDO等，減少了外部元件數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度。同時(shí)具備軟啟動(dòng)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、電源正常監(jiān)測(cè)和電壓跟蹤等功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

三、工作原理詳解

（一）啟動(dòng)過(guò)程

上電時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器（VREG）為芯片供電，同時(shí)偏置電流檢測(cè)放大器、電流檢測(cè)增益電路、軟啟動(dòng)電路和誤差放大器。電流檢測(cè)模塊提供谷值電流信息，用于設(shè)置電流檢測(cè)放大器增益和補(bǔ)償環(huán)路穩(wěn)定性。約800μs后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步出現(xiàn)在DRVL和DRVH引腳，輸出電壓通過(guò)軟啟動(dòng)序列逐漸上升。

（二）軟啟動(dòng)功能

通過(guò)外部電容連接到SS引腳，防止輸入電源通過(guò)外部MOSFET產(chǎn)生涌入電流，輸出電壓通過(guò)產(chǎn)生PWM脈沖跟蹤斜坡電壓，限制從高電壓輸入電源到輸出的涌入電流。

（三）精密使能電路

精密使能閾值為630mV，具有30mV的遲滯。將EN引腳連接到GND可禁用芯片，降低功耗。

（四）欠壓鎖定（UVLO）

防止芯片在極低或不確定的輸入電壓下工作，避免信號(hào)錯(cuò)誤傳播導(dǎo)致輸出設(shè)備損壞。UVLO電平標(biāo)稱值為2.65V。

（五）片上低壓差穩(wěn)壓器（LDO）

為內(nèi)部數(shù)字和模擬電路提供偏置電壓，通過(guò)連接VREG和VREG_IN引腳實(shí)現(xiàn)正常工作。在不同輸入電壓條件下，可根據(jù)需要選擇合適的連接方式。

（六）編程電阻（RES）檢測(cè)電路

啟動(dòng)時(shí)，RES檢測(cè)電路先于軟啟動(dòng)激活，通過(guò)在RES引腳施加0.4V參考電壓，識(shí)別四種可能的電阻值，將其數(shù)字化后輸出2位數(shù)字代碼，用于編程電流檢測(cè)放大器的四種增益配置。

（七）谷值電流限制設(shè)置

基于谷值電流模式控制，電流限制由下側(cè)MOSFET的導(dǎo)通電阻、電流檢測(cè)放大器輸出電壓擺幅和電流檢測(cè)增益決定。通過(guò)公式(I{CLIM}=I{LOAD}×(1 - frac{K{I}}{2}))計(jì)算谷值電流限制，根據(jù)(I{CLIM}=frac{1.4V}{A{CS}×R{ON}})計(jì)算電流檢測(cè)增益。

（八）同步整流

采用內(nèi)部MOSFET驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)外部上下側(cè)MOSFET，低側(cè)同步整流不僅提高了整體傳導(dǎo)效率，還確保了上側(cè)驅(qū)動(dòng)器輸入處自舉電容的正確充電，減少了開(kāi)關(guān)損耗。

（九）ADP1875節(jié)能模式（PSM）

在輕載到中載電流時(shí)，工作于DCM模式并進(jìn)行脈沖跳躍。當(dāng)電感電流接近零電流時(shí)，零交叉比較器關(guān)閉所有開(kāi)關(guān)活動(dòng)，系統(tǒng)進(jìn)入空閑模式，直到輸出電壓下降到規(guī)定范圍以下，再產(chǎn)生PWM脈沖維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

（十）定時(shí)器操作

采用恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)，通過(guò)檢測(cè)高側(cè)輸入電壓和輸出電壓，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的單脈沖PWM脈沖，使開(kāi)關(guān)頻率在一定程度上獨(dú)立于輸入和輸出電壓，實(shí)現(xiàn)偽固定頻率。

（十一）偽固定頻率

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)恒定；在負(fù)載瞬變時(shí)，頻率可瞬間變化，幫助輸出快速恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)，提高負(fù)載瞬態(tài)性能。

（十二）電源正常監(jiān)測(cè)

通過(guò)FB引腳監(jiān)測(cè)輸出電壓，PGOOD引腳為開(kāi)漏輸出，可通過(guò)外部電阻上拉。當(dāng)輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD引腳為邏輯高；反之則為邏輯低。

（十三）電壓跟蹤

具備電壓跟蹤功能，可實(shí)現(xiàn)主從電源軌的正確上電排序，有重合跟蹤和比例跟蹤兩種配置方式。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）反饋電阻分壓器

根據(jù)內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓（0.6V）和所需輸出電壓，確定反饋電阻分壓器的阻值，公式為(R{T}=R{B}×frac{(V_{OUT}-0.6V)}{0.6V})。

（二）電感選擇

電感值與電感紋波電流成反比，可根據(jù)公式(L=frac{(V{IN}-V{OUT})}{Delta I{L}×f{SW}}×frac{V{OUT}}{V{IN}})計(jì)算電感值，選擇時(shí)應(yīng)確保電感飽和額定值高于峰值電流水平。

（三）輸出紋波電壓和輸出電容選擇

輸出紋波電壓是直流輸出電壓的交流分量，可通過(guò)公式計(jì)算所需輸出電容值，以滿足紋波誤差要求。在選擇輸出電容時(shí)，應(yīng)考慮其等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值對(duì)輸出電壓恢復(fù)和紋波的影響。

（四）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于采用電流模式架構(gòu)，需要Type II補(bǔ)償。通過(guò)分析轉(zhuǎn)換器在單位增益頻率下的整體環(huán)路增益，確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容值。

（五）效率考慮

在構(gòu)建DC - DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，效率是重要考慮因素。應(yīng)關(guān)注MOSFET的參數(shù)，如(V{GS(TH)})、(R{DS(ON)})、(Q{G})、(C{N1})和(C_{N2})，以及外部元件在正常開(kāi)關(guān)操作中的損耗，包括通道傳導(dǎo)損耗、MOSFET驅(qū)動(dòng)損耗、開(kāi)關(guān)損耗、體二極管傳導(dǎo)損耗和電感損耗等。

（六）輸入電容選擇

輸入電容的選擇旨在減少輸入電壓紋波和高頻源阻抗，提高環(huán)路穩(wěn)定性和瞬態(tài)性能。建議使用多層陶瓷電容器（MLCC）與大容量電解電容器并聯(lián)，以降低ESR和ESL。

（七）熱考慮

在高電流應(yīng)用中，應(yīng)注意外部MOSFET的熱特性，避免芯片結(jié)溫超過(guò)155°C導(dǎo)致熱關(guān)斷。同時(shí)，要考慮封裝的熱阻抗，合理計(jì)算功率損耗和結(jié)溫上升。

五、設(shè)計(jì)示例

以(V{OUT}=1.8V)，(I{LOAD}=15A)（脈沖），(V{IN}=12V)（典型），(f{sw}=300kHz)為例，詳細(xì)介紹了輸入電容、電感、電流限制編程、輸出電容、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，并進(jìn)行了損耗計(jì)算。

六、外部組件推薦

文檔提供了不同工作條件下的外部組件推薦值，包括輸入電容、輸出電容、電感、電阻和MOSFET等，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

七、布局考慮

PCB布局對(duì)DC - DC轉(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。應(yīng)優(yōu)化敏感模擬和功率組件的布局，減少輸出紋波、保持嚴(yán)格的調(diào)節(jié)規(guī)格、降低PWM抖動(dòng)和電磁干擾。具體包括：

1. IC部分：模擬地平面（GND）應(yīng)與主電源地平面（PGND）分開(kāi)，敏感模擬組件的負(fù)端連接到模擬地平面，VREG引腳應(yīng)連接旁路電容。
2. 功率部分：合理安排輸入、輸出和電源地平面，減少磁通變化區(qū)域，降低SW節(jié)點(diǎn)的dv/dt。SW節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減小面積，遠(yuǎn)離敏感模擬電路。
3. 差分傳感：在低側(cè)MOSFET的漏極和源極以及輸出電容和反饋電阻分壓器之間采用差分傳感，減小信號(hào)干擾。

八、典型應(yīng)用電路

文檔給出了12A、300kHz高電流應(yīng)用電路，5.5V輸入、600kHz應(yīng)用電路和300kHz高電流應(yīng)用電路的具體電路圖和組件參數(shù)，方便工程師參考設(shè)計(jì)。

ADP1874/ADP1875同步降壓控制器以其豐富的功能、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的支持。通過(guò)深入理解其工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們可以更好地利用這款控制器，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源管理系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎一起交流探討。