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降压开关调节器2.5A限流嵌入式功率MOSFET

2020-9-10 17:23:35  69 MOSFET
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特征
2A直流输出电流
2.9V至18V输入电压
输出电压可从0.6V调节
250KHz开关频率,可编程
高达1MHz
内部软启动和抑制
低压差运行:100%占空比
电压前馈
空载电流运行
过流和热保护
VQFN3x3-8L包装
应用
机顶盒、DVD、DVD刻录机、车载音响、液晶电视和监视器
工业:充电器、汽车电池、PLD、PLA、FPGA
联网:XDSL、调制解调器、DC-DC模块
计算机:光存储,硬盘,打印机,声卡/显卡
说明
L5985是一个降压开关调节器2.5A限流嵌入式功率MOSFET,因此,它能够向负荷取决于应用条件。输入电压范围为2.9V到18V,而输出电压可以从0.6V至VIN。最小输入电压为启动装置适用于2.9V公交车3.3V母线。需要最少的外部组件,该装置包括一个内部250KHz开关外部频率振荡器调整至1MHz。带外露焊盘的QFN包允许减少到大约60°C/W
功能描述
L5985基于“电压模式”,恒定频率控制。输出电压VOUT由反馈引脚(FB)与提供一种误差信号,与固定频率的锯齿波相比,它控制电源开关。主要的内部模块如图3中的框图所示。他们是:一种全集成振荡器,提供锯齿波来调节占空比和同步信号。其开关频率可通过外部和外部调节电阻器。实现了电压和频率的前馈。z软启动电路,以限制启动阶段的涌入电流。电压模式误差放大器脉冲宽度调制器和驱动内部电源开关。嵌入式p沟道功率MOSFET开关的高压侧驱动。感应峰值电流和极限电流。z A调压器和内部基准。它提供内部电路并提供固定内部参考。一种电压监测电路(UVLO),用于检查输入和内部电压。z热关机块,防止热失控

振荡器和同步
图4显示了振荡器电路的框图。内部振荡器提供恒频时钟。其频率取决于外部连接到FSW的电阻器别针。如果FSW引脚保持浮动,频率为250KHz;它可以增加为如图6所示,由外部电阻器接地。改善线路暂态性能,并保持脉宽调制增益恒定输入电压,电压前馈是通过改变电压的斜率来实现的锯齿波根据输入电压的变化而变化(见图5.a)。如果振荡器频率增加外部电阻器。这样就实现了频率前馈(图5.b),以便使PWM增益与开关频率保持恒定(PWM增益见第5.4节表达式)。同步信号由同步管脚产生。此信号的相移为与时钟成180°角。当两个设备同步时,这个延迟很有用将同步引脚连接在一起。连接同步管脚时,设备较高的振荡器频率作为主设备,因此从设备在频率上进行切换但延迟了半个周期。这样可以最大限度地减小电流的均方根值通过输入电容器[见L5988D数据表]。

该装置可以同步工作,以更高的频率馈送外部时钟信号。同步改变锯齿波振幅,改变脉宽调制增益(图5.c)。在研究环路稳定性时,必须考虑这种变化。为了使PWM增益的变化最小,应设置自由运行频率(使用FSW引脚上的电阻)仅略低于外部时钟频率。这个预调整频率的变化会改变锯齿斜率,以获得可忽略的截断锯齿,由于外部同步。

软启动
软启动是保证降压变流器正确、安全启动的关键。它避免了励磁涌流冲击,使输出电压单次上升。软启动是由一个阶梯斜坡在非反转输入(VREF)上执行的误差放大器。所以输出电压转换率为:

其中SRVREF是非逆变输入的转换率,R1,R2是电阻分压器调节输出电压(见图7)。软启动楼梯包括64个台阶每一步9.5mV,从0V到0.6V,一步的时基为32个时钟周期。所以软启动时间和输出电压转换率取决于开关频率

例如,开关频率为250kHz时,SStiME为8ms。
误差放大与补偿
误差放大器(E/A)提供与锯齿波比较的误差信号执行脉冲宽度调制。它的非逆变输入在内部连接到0.6V电压基准,而其逆变输入(FB)和输出(COMP)是外部可用的用于反馈和频率补偿。在这个装置中,误差放大器是一个电压模运算放大器具有高直流增益和低输出阻抗。无补偿误差放大器特性如下:

在连续传导模式(CCM)中,功率段的传递函数有两个由LC滤波器产生的极点和由输出电容器的ESR产生的零点。不同的根据输出的ESR值,可以使用各种补偿网络电容器。如果输出电容器引入的零点有助于补偿LC滤波器的双极可采用II型补偿网络。否则,类型必须使用补偿网络(有关补偿网络选择)。无论如何,补偿循环的方法是引入零来获得一个安全的相位裕度。
过电流保护
L5985实现过电流保护感测流过功率MOSFET。由于功率MOSFET开关活动产生的噪声,电流感应在传导时间的初始阶段被禁用。这样可以避免错误地检测到故障状态。这个间隔通常被称为“掩蔽时间”或“空白时间”。掩蔽时间约为200ns。当检测到过电流时,根据操作条件。
1.输出电压调节。当检测到过电流时,功率MOSFET关闭和内部参考(VREF),这将使误差放大器设置为零,并在软启动时间(TSS,2048)内保持此状态时钟周期)。在这段时间之后,一个新的软启动阶段发生,内部引用开始倾斜(参见图8.a)。
2.软启动阶段。如果达到过电流限制,功率MOSFET关闭实现了逐脉冲过流保护。在软启动阶段,在过流情况下,器件可以跳过脉冲以保持输出电流常数等于电流限制。如果在“掩蔽时间”结束时当电流高于过电流阈值时,功率MOSFET被关断会跳过一个脉冲。如果,在下一次“掩蔽时间”结束时电流仍高于阈值,装置将跳过两个脉冲。这个这种机制是重复的,设备可以跳过多达7个脉冲。如果在最后在“屏蔽时间”中,电流低于过电流阈值的数量跳过的周期减少一个单位。在软启动阶段结束时,输出电压处于调节状态,如果过电流持续存在,则会出现上述行为发生。(见图8.b)因此,过电流保护可以概括为在软启动阶段,输出处于调节状态,电流恒定。如果输出电压调节时输出对地短路,则过电流为触发后,设备在“打嗝”之间以2048个时钟周期开始循环(功率MOSFET关断,对负载无电流)和“恒流”,接通时间很短,开关频率降低(高达正常开关频率的八分之一)。短路行为见图32。

抑制功能
禁止功能允许将设备。带INH引脚高于1.9V设备被禁用,功耗降低到30uA以下。带INH引脚低于0.6V,设备启用。如果INH引脚保持浮动,则内部上拉确保引脚上的电压达到抑制阈值,并且设备被禁用。该引脚也兼容VCC。
滞后热关机
热关机模块会产生一个信号,该信号会关闭连接处的功率级温度超过150摄氏度。一旦结温回到130℃左右,设备在正常运行时重新启动。传感元件非常靠近PDMOS因此,确保了准确和快速的温度检测
应用信息
输入电容器选择
连接到输入端的电容器必须能够支持最大输入设备所需的工作电压和最大均方根输入电流。输入电容器受到脉冲电流的影响,其均方根值在其ESR上消散,影响整个系统的效率。所以输入电容器的电流额定值必须高于最大有效值输入电流和ESR值符合预期效率。流经电容器的最大有效值输入电流可计算为:

式中,Io为最大直流输出电流,D为占空比,η为效率。这个函数在D=0.5时有一个最大值,考虑到η=1,它等于Io/2。在特定应用中,必须考虑可能的占空比范围,以便找出最大均方根输入电流。最大和最小占空比可以是计算公式:

其中,VF是续流二极管上的正向电压,VSW是通过的电压降内部PDMOS。表5中报告了一些适用于该装置的多层陶瓷电容器:

感应器选择
电感值固定流过输出电容器的电流纹波。所以必须选择最小电感值以获得预期的电流纹波。固定电流纹波值的规则是使纹波在输出电流的20%-40%。电感值可按下式计算:

式中,TON和TOFF是内部电源开关的打开和关闭时间。最大值在固定电压下,电流纹波是在最小占空比下的最大TOFF获得的(参见上一节计算最低负荷)。因此,确定∆IL=最大值的20%至40%输出电流,最小电感值可计算:

其中FSW是开关频率1/(TON+TOFF)。例如,如果VOUT=3.3V,VIN=12V,IO=2A,FSW=250KHz,则最小值为电感值∆IL=30%IO约为18uH。通过电感器的峰值电流由以下公式得出:

因此,如果电感器值减小,峰值电流(必须低于电流设备限制)增加。电感值越高,平均值越高在没有达到电流限制的情况下可以输出的电流。下表列出了一些电感器零件号

输出电容器选择
电容器中的电流有一个三角形的波形(平均值为零)在其上产生电压纹波。这种纹波是由电容元件和电阻元件(ESR)。因此,必须选择输出电容器,以便电压纹波符合应用要求。电压纹波的数量可以从获得的电流纹波开始计算由感应器选择。

通常纹波的电阻分量比电容分量高得多,如果所采用的输出电容器不是ESR很低的多层陶瓷电容器(MLCC)价值观。输出电容器对环路稳定性也很重要:它固定了双LC滤波器极和零是由于它的ESR。在第5.4章中,将说明如何在系统稳定性。例如,当VOUT=3.3V,VIN=12V,∆IL=0.6A(由电感器值产生),in为了使∆VOUT=0.01·VOUT,如果采用多层电容器,10uF为可以忽略输出电压纹波和ESR效应。如果没有可忽略的ESR(电解或钽电容器),电容器的选择考虑计算其ESR值。因此,ESR=40mΩ的100uF符合要求的输出电压纹波。输出电容器对于负载瞬态时维持输出电压也很重要负载要求具有高的回转率。当负载瞬态转换率超过系统带宽输出电容器为负载提供电流。所以如果高回转速率负载瞬态是应用场合要求的输出电容和系统带宽必须选择以维持负载瞬态。下表列出了一些电容器系列。


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