ADP2138/ADP2139：緊湊型800mA、3MHz降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的技術(shù)剖析

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、緊湊的DC - DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天我們要深入探討的ADP2138/ADP2139就是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，它為眾多電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了理想的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

ADP2138和ADP2139是高效率、低靜態(tài)電流的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。ADP2139還具備內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)這一額外特性。整個(gè)解決方案僅需三個(gè)微小的外部組件，大大節(jié)省了電路板空間。

1. 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持2.3V至5.5V的輸入電壓，能適配單鋰或鋰聚合物電池、多節(jié)堿性或鎳氫電池、PCMCIA、USB等多種標(biāo)準(zhǔn)電源。
• 高轉(zhuǎn)換效率：峰值效率可達(dá)95%，能有效降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。
• 低靜態(tài)電流：典型靜態(tài)電流僅23μA，關(guān)機(jī)電流超低，典型值為0.2μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 小封裝尺寸：采用6引腳、1mm × 1.5mm的WLCSP封裝，非常適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。
• 快速響應(yīng)：具有快速的負(fù)載和線路瞬態(tài)響應(yīng)能力，能及時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)載變化。
• 多種工作模式：支持強(qiáng)制PWM和自動(dòng)PWM/PSM模式，可根據(jù)負(fù)載情況靈活切換，提高輕載效率。
• 保護(hù)功能完善：具備過(guò)流和熱關(guān)斷保護(hù)功能，保障芯片在異常情況下的安全。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

該轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備，如PDA和掌上電腦、無(wú)線手持設(shè)備、數(shù)字音頻和便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)以及GPS導(dǎo)航單元等。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

1. 電氣參數(shù)

2. 輸入輸出電容規(guī)格

為了保證轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)輸入和輸出電容有一定的要求。最小輸入和輸出電容值為4.7μF，電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）范圍為0.001Ω至1Ω。

3. 絕對(duì)最大額定值

三、工作原理

1. 控制方案

ADP2138/ADP2139采用固定頻率、電流模式PWM控制架構(gòu)。在中高負(fù)載時(shí)，以PWM模式工作，通過(guò)調(diào)整集成開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)高效率；在輕負(fù)載時(shí)，切換到節(jié)能模式（PSM），以降低調(diào)節(jié)功率損耗。

2. PWM模式

在PWM模式下，芯片以3MHz的固定頻率工作。每個(gè)振蕩周期開(kāi)始時(shí)，PFET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，在電感上施加正電壓，電感電流增加；當(dāng)電流檢測(cè)信號(hào)超過(guò)峰值電感電流閾值時(shí)，PFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷，NFET同步整流器導(dǎo)通，電感電流減小。通過(guò)調(diào)整峰值電感電流閾值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

3. 節(jié)能模式（PSM）

當(dāng)負(fù)載電流低于節(jié)能模式電流閾值（100mA）時(shí)，芯片平滑過(guò)渡到PSM模式。此時(shí)，PWM調(diào)節(jié)電平產(chǎn)生偏移，使輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓達(dá)到比PWM調(diào)節(jié)電平高約1.5%時(shí)，PWM操作停止，兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)均關(guān)斷，芯片進(jìn)入空閑模式。輸出電容放電，當(dāng)輸出電壓降至PWM調(diào)節(jié)電壓時(shí)，芯片再次驅(qū)動(dòng)電感使輸出電壓上升。只要負(fù)載電流低于閾值，這個(gè)過(guò)程就會(huì)重復(fù)。

4. 使能/關(guān)機(jī)

當(dāng)EN引腳從邏輯低電平切換到邏輯高電平時(shí)，芯片啟動(dòng)軟啟動(dòng)并開(kāi)始工作；將EN引腳拉低，芯片進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，關(guān)機(jī)電流降至典型值0.2μA。

5. 保護(hù)功能

• 短路保護(hù)：采用頻率折返機(jī)制，當(dāng)反饋引腳電壓低于目標(biāo)輸出電壓的一半時(shí)，表明輸出可能出現(xiàn)硬短路，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率降低到內(nèi)部振蕩器頻率的一半，防止輸出電流失控。
• 欠壓鎖定：集成了欠壓鎖定（UVLO）電路，當(dāng)輸入電壓低于2.15V的UVLO閾值時(shí)，芯片關(guān)機(jī)，功率開(kāi)關(guān)和同步整流器均關(guān)斷；當(dāng)電壓上升超過(guò)閾值時(shí)，啟動(dòng)軟啟動(dòng)，芯片重新啟用。
• 熱保護(hù)：當(dāng)芯片結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，熱關(guān)斷電路將轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。為避免頻繁開(kāi)關(guān)，設(shè)置了20°C的遲滯，即結(jié)溫降至130°C以下時(shí)，芯片才會(huì)重新啟動(dòng)，并再次進(jìn)行軟啟動(dòng)。
• 軟啟動(dòng)：內(nèi)部軟啟動(dòng)功能可在啟動(dòng)時(shí)以受控方式提升輸出電壓，限制浪涌電流，防止連接電池或高阻抗電源時(shí)可能出現(xiàn)的輸入電壓下降。
• 電流限制：芯片具備保護(hù)電路，限制通過(guò)PFET開(kāi)關(guān)和同步整流器的正電流，防止電流過(guò)大；同時(shí)設(shè)置負(fù)電流限制，防止電感電流反向流出負(fù)載。
• 100%占空比操作：當(dāng)VIN下降或ILOAD增加，即使PFET開(kāi)關(guān)100%導(dǎo)通，VOUT仍低于期望輸出電壓時(shí)，芯片平滑過(guò)渡到PFET開(kāi)關(guān)一直導(dǎo)通的模式；當(dāng)輸入條件改變，所需占空比下降時(shí)，芯片立即重新啟動(dòng)PWM調(diào)節(jié)，避免VOUT出現(xiàn)過(guò)沖。
• 放電開(kāi)關(guān)（ADP2139）：ADP2139集成了一個(gè)典型值為100Ω的開(kāi)關(guān)電阻，當(dāng)EN引腳變?yōu)榈碗娖交蛐酒M(jìn)入欠壓鎖定或熱關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，用于對(duì)輸出電容進(jìn)行放電，放電時(shí)間通常為200μs。

四、應(yīng)用信息

1. ADIsimPower設(shè)計(jì)工具

ADP2138/ADP2139得到了ADIsimPower設(shè)計(jì)工具集的支持。該工具集可根據(jù)特定設(shè)計(jì)目標(biāo)生成完整的電源設(shè)計(jì)，包括原理圖、物料清單，并能在幾分鐘內(nèi)計(jì)算性能。用戶可以通過(guò)該工具優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮IC和外部組件的工作條件及限制，以實(shí)現(xiàn)成本、面積、效率和零件數(shù)量的最佳平衡。更多信息可訪問(wèn)https://www.analog.com/ADIsimPower 。

2. 外部組件選擇

• 電感：由于ADP2138/ADP2139的開(kāi)關(guān)頻率較高，可選擇小尺寸的片式電感。建議電感值在0.7μH至3μH之間，推薦的電感型號(hào)如Murata的LQM2MPN1R0NG0B、Taiyo Yuden的CBMF1608T1R0M等。電感的峰值 - 峰值電流紋波可通過(guò)公式 (I{RIPPLE}=frac{V{OUT} times (V{IN}-V{OUT})}{V{IN} × f{SW} × L}) 計(jì)算，電感的最小直流電流額定值應(yīng)大于電感峰值電流，峰值電流可通過(guò)公式 (I{PEAK}=I{LOAD(MAX)}+frac{I_{RIPPLE}}{2}) 計(jì)算。為降低電感傳導(dǎo)損耗和電磁干擾，建議使用屏蔽鐵氧體磁芯材料。
• 輸出電容：較高的輸出電容值可降低輸出電壓紋波，改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。選擇電容時(shí)，需考慮輸出電壓直流偏置對(duì)電容值的影響。推薦使用X5R或X7R電介質(zhì)、電壓額定值為6.3V或10V的陶瓷電容，不建議使用Y5V和Z5U電介質(zhì)的電容。有效電容值可通過(guò)公式 (C{EFF}=C{OUT} times (1 - TEMPCO) times (1 - TOL)) 計(jì)算，其中TEMPCO為最壞情況下的電容溫度系數(shù)，TOL為最壞情況下的組件公差。輸出電壓紋波可通過(guò)公式 (V{RIPPLE}=I{RIPPLE} times (ESR{COUT}+1 / (8 × f{SW} × C_{OUT}))) 計(jì)算，建議選擇等效串聯(lián)電阻（ESR）較低的電容以降低輸出紋波。
• 輸入電容：較大的輸入電容值有助于降低輸入電壓紋波，改善瞬態(tài)響應(yīng)。最大輸入電容電流可通過(guò)公式 (I{CIN} geq I{LOAD(MAX)} sqrt{frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}}}) 計(jì)算。為減少電源噪聲，應(yīng)將輸入電容盡可能靠近ADP2138/ADP2139的VIN引腳放置，同樣建議使用低ESR電容。

3. 熱考慮

雖然ADP2138/ADP2139效率較高，內(nèi)部功耗較小，但在高環(huán)境溫度、低電源電壓、高占空比且負(fù)載最大的應(yīng)用中，芯片封裝內(nèi)的散熱可能導(dǎo)致結(jié)溫超過(guò)125°C的最大結(jié)溫。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)150°C時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，結(jié)溫降至130°C以下時(shí)恢復(fù)工作。結(jié)溫可通過(guò)公式 (T{J}=T{A}+T{R}) 計(jì)算，其中 (T{R}=theta{JA} × P{D}) ，(T{J}) 為結(jié)溫，(T{A}) 為環(huán)境溫度，(T{R}) 為封裝因功耗導(dǎo)致的溫度上升，(theta{JA}) 為結(jié)到環(huán)境的熱阻，(P_{D}) 為封裝內(nèi)的功耗。

4. PCB布局指南

良好的PCB布局對(duì)于ADP2138/ADP2139的性能至關(guān)重要。布局不當(dāng)可能導(dǎo)致EMI、電磁兼容性問(wèn)題、接地反彈和電壓損失，還會(huì)影響調(diào)節(jié)和穩(wěn)定性。以下是一些布局規(guī)則：

• 將電感、輸入電容和輸出電容靠近IC放置，使用短走線，因?yàn)檫@些組件承載高開(kāi)關(guān)頻率，大走線會(huì)像天線一樣產(chǎn)生干擾。
• 輸出電壓路徑應(yīng)遠(yuǎn)離電感和SW節(jié)點(diǎn)，以減少噪聲和磁干擾。
• 最大化組件側(cè)的接地金屬面積，有助于散熱。
• 使用帶有多個(gè)過(guò)孔連接到組件側(cè)接地的接地平面，進(jìn)一步降低敏感電路節(jié)點(diǎn)的噪聲干擾。

五、評(píng)估板與訂購(gòu)信息

1. 評(píng)估板

ADP2138/ADP2139提供了評(píng)估板，方便工程師進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。評(píng)估板的原理圖和布局圖可幫助工程師更好地了解芯片的應(yīng)用。

2. 訂購(gòu)指南

ADP2138/ADP2139有多種型號(hào)可供選擇，輸出電壓選項(xiàng)包括0.8V、1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、2.8V、3.0V和3.3V。所有型號(hào)均采用6球晶圓級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP），工作溫度范圍為 - 40°C至+125°C，包裝數(shù)量為每卷3000個(gè)。

總之，ADP2138/ADP2139以其高效、緊湊、功能豐富的特點(diǎn)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部組件，并遵循正確的PCB布局規(guī)則，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用ADP2138/ADP2139的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。