深入解析SGM62110/SGM62111：2.5A Buck - Boost轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

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系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。SGM62110和SGM62111作為SGMICRO推出的兩款4 - 開關(guān)Buck - Boost轉(zhuǎn)換器，憑借其可編程的I2C接口和豐富的功能特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。今天，我們就來深入剖析這兩款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

SGM62110和SGM62111具備同步整流功能，可有效提高系統(tǒng)效率，這對于電池供電的應(yīng)用來說至關(guān)重要。其可編程的輕載PFM（脈沖頻率調(diào)制）模式和低靜態(tài)電流，使得在10mA至2A的輸出電流范圍內(nèi)效率能達(dá)到90%以上。這兩款芯片能夠在輸入電壓低于、高于或等于輸出電壓時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓，并且優(yōu)化了模式轉(zhuǎn)換，確保了平滑的操作并減少了輸出電壓紋波。此外，它們還支持動態(tài)電壓縮放，可通過VSEL引腳和I2C控制的輸出電壓寄存器根據(jù)應(yīng)用需求切換輸出電壓。同時(shí)，芯片具備過溫、輸入過壓和輸出過流等強(qiáng)大的保護(hù)功能，能有效防止系統(tǒng)意外故障。采用小型的Green WLCSP - 2.21×1.40 - 15B封裝，高度集成的設(shè)計(jì)僅需四個外部組件，PCB面積可小至39mm2。

二、關(guān)鍵特性

1. 電壓范圍

輸入電壓范圍為2.2V至5.5V，輸出電壓范圍為1.8V至5.2V，能滿足多種不同的應(yīng)用需求。在不同的輸入輸出電壓組合下，芯片有著不同的輸出電流能力，例如當(dāng) (V{IN } ≥2.5 ~V) 且 (V{OUT }=3.3 ~V) 時(shí)，輸出電流可達(dá)2.2A；當(dāng) (V{IN } ≥2.8 ~V) 且 (V{OUT }=3.5 ~V) 時(shí)，輸出電流為2.5A。

2. 效率與電流

在10mA至2A的輸出電流范圍內(nèi)，效率高于90%，靜態(tài)電流典型值為18μA。用戶可選擇PFM模式，芯片還具備真正的Buck、Boost和Buck - Boost模式，并且能自動進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

3. 接口與保護(hù)

支持I2C接口，時(shí)鐘速度最高可達(dá)1MHz，內(nèi)部具備軟啟動功能。同時(shí)擁有OTP（過溫保護(hù)）、輸入OVP（過壓保護(hù)）和輸出OCP（過流保護(hù)）等保護(hù)機(jī)制，還有真正的關(guān)斷功能，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載斷開和主動輸出放電。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

SGM62110和SGM62111適用于多種場景，如智能手機(jī)和平板電腦、預(yù)調(diào)節(jié)器和USB VCONN電源、TWS耳塞充電器以及通用負(fù)載點(diǎn)調(diào)節(jié)器等。這些應(yīng)用場景對電源的效率、穩(wěn)定性和輸出電壓的靈活性都有較高要求，而這兩款芯片正好能滿足這些需求。

四、電氣特性與性能

1. 電氣參數(shù)

在 (V{IN}=3.6 ~V) 、 (V{OUT }=3.3 ~V) 、 (T_{J}=-40^{circ} C) 至 +125℃ 的條件下，芯片有著一系列特定的電氣參數(shù)。例如，電源電流典型值為18μA，關(guān)斷電流為0.1μA，UVLO（欠壓鎖定）上升閾值電壓為2.1V，下降閾值電壓為1.9V等。

2. 性能曲線

從典型性能曲線可以看出，芯片在不同的輸入電壓和輸出電流下有著不同的效率表現(xiàn)。例如，在輸出電流為1A、輸入電壓為3.6V時(shí)，不同輸出電壓下的效率有所差異。同時(shí)，在負(fù)載調(diào)節(jié)和線路調(diào)節(jié)方面，芯片也能保持較好的性能，確保輸出電壓的穩(wěn)定。

五、工作模式與控制

1. 模式切換

芯片能根據(jù)輸入和輸出電壓自動選擇操作模式。當(dāng) (V{IN } gg V{OUT }) 時(shí)，處于Buck模式；當(dāng) (V{IN } ll V{OUT }) 時(shí)，處于Boost模式；當(dāng) (V{OUT } ~ V{IN }) 時(shí)，處于4 - 周期Buck - Boost模式。在Buck - Boost模式下，通過控制四個開關(guān)交替導(dǎo)通，可降低電感和輸出電容中的RMS電流，從而減少輸出電壓紋波并提高效率。

2. 控制方案

采用峰值電流模式控制方案，誤差放大器輸出設(shè)定電流環(huán)閾值，用于PWM占空比控制和操作模式選擇。當(dāng)感應(yīng)到的峰值電感電流達(dá)到誤差放大器的參考信號時(shí)，導(dǎo)通階段結(jié)束，下一個階段開始。

3. 節(jié)能模式

在啟動時(shí)，芯片會強(qiáng)制進(jìn)入PSM（節(jié)能模式），直到首次達(dá)到電源良好狀態(tài)。在PSM模式下，中重負(fù)載時(shí)以連續(xù)電流模式和恒定開關(guān)頻率模式運(yùn)行，輕負(fù)載時(shí)切換到PFM模式，通過減少開關(guān)周期降低開關(guān)損耗，提高輕負(fù)載效率。不過，PFM模式下輸出電壓紋波、直流輸出電壓精度和負(fù)載瞬態(tài)性能會有所降低。

4. 強(qiáng)制PWM操作

通過設(shè)置控制寄存器中的FPWM位為1可啟用強(qiáng)制PWM模式。在該模式下，輕負(fù)載時(shí)同步開關(guān)不會因電感電流為負(fù)而關(guān)閉，能保持恒定的開關(guān)頻率，輸出電壓紋波更低，瞬態(tài)響應(yīng)更好，但在低輸出電流時(shí)，開關(guān)和傳導(dǎo)損耗較高，效率較低。

六、功能特性與保護(hù)

1. 設(shè)備啟用

有兩種方式啟用芯片，一是在EN引腳施加邏輯高信號，二是通過I2C配置ENABLE位。

2. 欠壓鎖定

當(dāng)輸入電源電壓過低時(shí)，欠壓鎖定功能會禁用芯片，防止設(shè)備故障。

3. 軟啟動

啟動時(shí)，內(nèi)置的軟啟動功能可最小化浪涌電流并限制輸出電壓過沖，通過逐漸增加開關(guān)電流限制，確保在無負(fù)載和重負(fù)載情況下都能正常啟動。

4. 輸出電壓控制

輸出電壓可在1.8V至5.2V之間以25mV的分辨率進(jìn)行編程，通過控制寄存器中的RANGE位選擇輸出電壓范圍，VSEL引腳選擇VOUTx寄存器來設(shè)置輸出電壓。

5. 動態(tài)電壓縮放

允許以可控速率改變輸出電壓，通過控制寄存器中的2位SLEW[1:0]參數(shù)選擇四種壓擺率值之一。當(dāng)VSEL邏輯電平改變或在活動的VOUTx寄存器中寫入新值時(shí)，會啟動DVS斜坡。

6. 輸入電壓保護(hù)

當(dāng)通過DVS將輸出電壓降至較低值時(shí)，可能會出現(xiàn)電流從輸出回流到輸入的情況。芯片提供IVP（輸入電壓保護(hù)）功能，確保VIN引腳電壓在任何情況下都不超過5.7V。

7. 電流限制保護(hù)

芯片實(shí)現(xiàn)了峰值電感電流限制，以保護(hù)設(shè)備在過載情況下的安全。過載通常會導(dǎo)致功率耗散增加和結(jié)溫升高，觸發(fā)過溫保護(hù)使設(shè)備關(guān)閉。

8. 熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過 +150℃ 閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器會關(guān)閉以保護(hù)設(shè)備，當(dāng)結(jié)溫降至 +130℃ 以下時(shí)，設(shè)備會自動恢復(fù)運(yùn)行。

9. 電源良好

通過狀態(tài)寄存器提供電源良好功能，當(dāng)輸出電壓達(dá)到編程輸出電壓的95%以上時(shí)，電源良好位變?yōu)檫壿嫷?；?dāng)輸出電壓降至編程電壓的90%以下時(shí)，變?yōu)檫壿嫺摺?/p>

10. 負(fù)載斷開與輸出放電

設(shè)備關(guān)閉時(shí)，輸入和輸出斷開，阻止電流在輸入和輸出之間流動。當(dāng)EN引腳施加邏輯低信號或ENABLE位設(shè)置為0時(shí)，VOUT會主動拉低以放電輸出。

七、I2C接口與編程

1. I2C通信

I2C是一種廣泛使用的2線雙向串行通信接口，用于芯片的參數(shù)編程、狀態(tài)接收和報(bào)告。芯片作為從設(shè)備，地址為75h，支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100kbps）、快速模式（400kbps）和快速模式加（1Mbps）的數(shù)據(jù)傳輸速度。

2. 通信協(xié)議

通信過程包括啟動和停止條件、數(shù)據(jù)位傳輸和有效性、數(shù)據(jù)格式以及數(shù)據(jù)通信協(xié)議等。啟動條件由主設(shè)備在SCL為高時(shí)將SDA從高拉低產(chǎn)生，停止條件則是在SCL為高時(shí)將SDA從低拉高。數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位，每個字節(jié)傳輸后會有一個確認(rèn)位。

3. 寄存器讀寫

主設(shè)備發(fā)送啟動條件后，發(fā)送從設(shè)備地址和數(shù)據(jù)方向位，然后根據(jù)讀寫操作發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。寫入時(shí)，主設(shè)備發(fā)送寄存器地址和數(shù)據(jù)；讀取時(shí)，主設(shè)備先發(fā)送重復(fù)啟動條件，然后讀取寄存器內(nèi)容。

八、應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)要求

以智能手機(jī)2A電源應(yīng)用為例，輸入電壓范圍為2.5V至4.8V，輸出電壓范圍為1.8V至5.2V，輸出電流為2A，I2C總線電容為100pF，總線電壓為3.3V，總線速度為快速模式（400kHz）。

2. 元件選擇

• 輸入電容：考慮DC偏置降額后，總輸入電容建議大于5μF，多數(shù)應(yīng)用中推薦使用10μF、6.3V的陶瓷電容。若電源距離芯片較遠(yuǎn)，可使用額外的大容量電容。
• 電感：推薦使用0.47μH的電感，低DCR電感可提高效率。額定飽和電流應(yīng)至少比最壞情況下的最大峰值電流高20%，通過計(jì)算最大占空比和最大電感電流來選擇合適的電感。
• 輸出電容：建議有效輸出電容至少為16μF，多數(shù)應(yīng)用中使用兩個22μF、6.3V的陶瓷電容即可。為減少高頻噪聲，可在VOUT和GND引腳附近并聯(lián)一個100nF的陶瓷電容。
• I2C上拉電阻：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)I2C規(guī)范和相關(guān)公式計(jì)算上拉電阻的最大值和最小值，選擇合適的上拉電阻值。

九、布局建議

布局對于DC/DC電源的開關(guān)模式至關(guān)重要，不當(dāng)?shù)牟季挚赡軐?dǎo)致EMI性能不佳、設(shè)備不穩(wěn)定甚至損壞。輸入電容、輸出電容和電感應(yīng)盡量靠近芯片，芯片采用電源地和控制地引腳，可減少接地噪聲對敏感模擬電路的影響，模擬接地跡線應(yīng)在單點(diǎn)連接到主電源地。

SGM62110和SGM62111憑借其豐富的功能、高效的性能和靈活的控制方式，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇元件和布局，以充分發(fā)揮芯片的優(yōu)勢。你在使用這兩款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。