ADP2105/ADP2106/ADP2107：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)秘籍

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一下Analog Devices推出的ADP2105/ADP2106/ADP2107系列同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，看看它是如何在眾多轉(zhuǎn)換器中脫穎而出的。

文件下載：ADP2106.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADP2105/ADP2106/ADP2107是一系列低靜態(tài)電流、同步、降壓型DC - DC轉(zhuǎn)換器，采用緊湊的4 mm × 4 mm LFCSP封裝。它們在中高負(fù)載電流下采用電流模式、固定頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方案，以確保出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)；在輕負(fù)載條件下則切換到脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方案，降低開關(guān)頻率以節(jié)省功耗，從而延長便攜式應(yīng)用中的電池壽命。

關(guān)鍵特性

1. 高效率：高達(dá)97%的效率，能有效減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱。
2. 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流低至20 μA，關(guān)機(jī)時(shí)僅0.1 μA，進(jìn)一步延長電池續(xù)航。
3. 寬輸入電壓范圍：支持2.7 V至5.5 V的輸入電壓，可適配多種電源。
4. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在0.8 V至輸入電壓之間調(diào)節(jié)，也有3.3 V、1.8 V、1.5 V和1.2 V等預(yù)設(shè)輸出電壓選項(xiàng)。
5. 高負(fù)載電流能力：ADP2105最大負(fù)載電流為1 A，ADP2106為1.5 A，ADP2107為2 A。
6. 其他特性：包括100%占空比操作、內(nèi)部同步整流、軟啟動(dòng)、欠壓鎖定等功能。

二、工作原理

控制方案

該系列轉(zhuǎn)換器在中高負(fù)載時(shí)采用固定頻率的峰值電流模式PWM控制架構(gòu)，通過調(diào)整集成開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓；在輕負(fù)載時(shí)則切換到可變頻率的PFM控制方案，通過調(diào)整開關(guān)頻率來維持輸出電壓。

PWM模式

在PWM模式下，內(nèi)部振蕩器將開關(guān)頻率固定為1.2 MHz。每個(gè)周期開始時(shí)，P溝道MOSFET開關(guān)導(dǎo)通，電感電流增加；當(dāng)電流感測信號達(dá)到峰值電感電流水平時(shí)，P溝道MOSFET開關(guān)關(guān)閉，N溝道MOSFET同步整流器導(dǎo)通，電感電流減小。

PFM模式

當(dāng)負(fù)載電流低于脈沖跳躍閾值電流時(shí)，轉(zhuǎn)換器平滑過渡到PFM模式。在該模式下，僅在必要時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作，以維持輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。由于輸出電壓會(huì)偶爾下降和恢復(fù)，因此PFM模式下的輸出電壓紋波比PWM模式大。

100%占空比操作（LDO模式）

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器平滑過渡到100%占空比操作，持續(xù)導(dǎo)通P溝道MOSFET開關(guān)，直到輸入電壓下降到使P溝道MOSFET開關(guān)進(jìn)入壓降狀態(tài)。

斜率補(bǔ)償

斜率補(bǔ)償用于在占空比超過50%時(shí)穩(wěn)定內(nèi)部電流控制環(huán)路，防止次諧波振蕩。通過在P溝道MOSFET開關(guān)導(dǎo)通期間將固定的縮放電壓斜坡與電流感測信號相加來實(shí)現(xiàn)。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

外部組件選擇

1. 輸出電壓設(shè)置：對于可調(diào)版本（ADJ），通過電阻分壓器從輸出電壓連接到FB引腳來設(shè)置輸出電壓。為減少FB偏置電流對輸出電壓精度的影響，應(yīng)確保分壓器電流大于20 μA。
2. 電感選擇：電感的選擇需要在效率和瞬態(tài)響應(yīng)之間進(jìn)行權(quán)衡。一般建議將電感的峰 - 峰電流紋波設(shè)置為最大負(fù)載電流的1/3。同時(shí)，要考慮斜率補(bǔ)償對電感最小值的限制，以及電感處理最大峰值電流的能力。
3. 輸出電容選擇：輸出電容會(huì)影響輸出電壓紋波和轉(zhuǎn)換器的環(huán)路動(dòng)態(tài)。為實(shí)現(xiàn)良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，建議選擇低ESR和ESL的小型陶瓷輸出電容，如X5R或X7R電介質(zhì)。
4. 輸入電容選擇：輸入電容用于減少PWIN引腳開關(guān)電流引起的輸入電壓紋波，應(yīng)選擇能夠承受最大負(fù)載電流下均方根輸入電流的電容。
5. 輸入濾波器：在IN引腳和PWIN1引腳之間放置低通RC濾波器，以防止PWIN引腳的高頻開關(guān)噪聲干擾內(nèi)部電路。
6. 軟啟動(dòng)周期：通過在SS引腳和AGND之間連接軟啟動(dòng)電容來設(shè)置軟啟動(dòng)周期，軟啟動(dòng)周期與電容大小成正比。
7. 環(huán)路補(bǔ)償：利用跨導(dǎo)誤差放大器對外部電壓環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，通過合理選擇補(bǔ)償電阻和電容來確保在交叉頻率處有足夠的相位裕度。

熱考慮

雖然ADP2105/ADP2106/ADP2107具有高效率，但在高環(huán)境溫度、低電源電壓和高占空比的應(yīng)用中，仍需進(jìn)行熱分析，以確保結(jié)溫不超過最大允許值。結(jié)溫可通過環(huán)境溫度和封裝因功耗引起的溫度上升之和來計(jì)算。

電路板布局建議

良好的電路板布局對于獲得最佳性能至關(guān)重要。應(yīng)使用單獨(dú)的模擬和功率接地平面，將敏感模擬電路的接地參考連接到模擬接地，功率組件的接地參考連接到功率接地，并將兩者都連接到芯片的外露焊盤。同時(shí)，要確保高電流環(huán)路盡可能短而寬，反饋電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償組件應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)引腳放置，以減少噪聲拾取。

四、應(yīng)用案例

以一個(gè)輸入電壓為3.6 V至4.2 V、輸出電壓為2 V、典型輸出電流為600 mA、最大輸出電流為1.2 A的應(yīng)用為例，我們可以選擇ADP2106可調(diào)版本，并按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1. 計(jì)算電阻分壓器：根據(jù)公式計(jì)算出電阻分壓器的阻值，確保分壓器電流大于20 μA。
2. 選擇電感：根據(jù)輸出電壓和負(fù)載電流計(jì)算最小電感值和理想電感值，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電感。
3. 選擇輸出電容：根據(jù)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求選擇輸出電容，考慮直流偏置對電容值的影響。
4. 選擇輸入電容：根據(jù)芯片型號選擇合適的輸入電容。
5. 設(shè)置軟啟動(dòng)電容：根據(jù)軟啟動(dòng)時(shí)間要求選擇軟啟動(dòng)電容。
6. 計(jì)算補(bǔ)償電阻和電容：根據(jù)環(huán)路補(bǔ)償公式計(jì)算補(bǔ)償電阻和電容的值。

五、總結(jié)

ADP2105/ADP2106/ADP2107系列同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器以其高效率、低靜態(tài)電流、寬輸入電壓范圍和豐富的功能特性，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的電源管理解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇外部組件、進(jìn)行熱分析和優(yōu)化電路板布局，能夠充分發(fā)揮該系列轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢，滿足各種應(yīng)用的需求。

作為電子工程師，你在使用ADP2105/ADP2106/ADP2107時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。