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A4490是三输出降压开关稳压器

2020-9-27 17:51:21  191 开关稳压器
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特点和优点
▪ 三降压转换器
▪ 4.5至34 V输入电压范围
▪ 550kHz固定频率
▪ 多相开关
▪ 各变流器独立控制
▪ 上电复位标志
▪ 内部补偿
▪ 4×4 mm QFN封装,PCB占用空间小
包装:20触点QFN(后缀ES)

说明
A4490设计用于满足打印机、办公自动化、工业和便携式设备的电源要求,提供三个具有独立软启动功能的高电流、高性能开关调节器输出。
高频开关允许选择便宜的电感和小陶瓷输出电容器。调节器的开启周期交错,以最小化输入电容器上的应力并降低电磁干扰。电荷泵用于提供驱动电源开关的电源,确保在非常宽的工作占空比下工作,并且避免了对电源放电钳位电路的需要。
具有用户可配置延迟的上电复位电路指示启用的调节器何时符合规格。当输入电压降到低于规定值时,power onreset(通电复位)标志也会显示,当开关设备继续运行至停机水平时,系统控制器会发出提前警告。
内部诊断提供全面的过载、输入欠压和过热保护。
A4490采用20触点,4 mm×4 mm,0.75 mm标称总高度QFN,带外露衬垫,以增强散热。不含铅,100%哑光镀锡引线框架。
应用程序包括:
▪ 照片、喷墨和便携式打印机
▪ 工业
▪ 手持设备
▪ 便携式应用程序
典型应用

功能框图

功能描述
基本操作
A4490包含三个具有峰值电流模式控制(包括斜率补偿)的固定频率buck开关变换器。每个转换器可以通过激活高电平的使能输入(EN1、EN2和EN3)独立地打开和关闭。启用时,相应的输出在软启动程序的控制下启动,从而避免输出电压超调,并使输入浪涌电流最小化。
输出电压通常被外部分压器向下分压,并与内部参考电压进行比较,以产生误差信号,也称为电流需求信号。通过降压开关的电流信号被转换成电压。然后将此信号与当前需求信号进行比较,以创建所需的工作循环。
在每个切换周期开始时,降压开关接通。当通过开关的电流信号达到电流需求信号的电平时,开关的接通时间终止。在下一个切换循环中,再次打开开关并重复该循环。
一个共享时钟用于定义每个调节器的开关频率。三个开关周期(REG1、REG2和REG3)中的每一个周期彼此相移120°以尽量减小从输入滤波器电容器中吸取的脉冲电流。在某些条件下,例如在低VBB条件和相对较高的用户设置输出电压下,信道之间的切换重叠是不可避免的。
在导致占空比(DC)小于最小值的条件下,例如轻负载或高VBB电压,转换器进入脉冲跳过模式以确保保持调节。
提供电荷泵调节器,以确保在整个输入电压范围内,所有三个电源开关都有足够的栅极驱动。该调节器允许在非常宽的工作负载循环下运行。在初始通电时,内部调节器用于为片上控制功能提供偏置电源。
在短路或过载的情况下,每个调节器通道利用逐脉冲电流限制。如果过载时间足够长,集成电路温度可能会升高到足以使热关机电路工作。该部件将在软启动电路的控制下,在消除热禁用条件后,并假设满足所有其他条件,自动重启。有关更多信息,请参阅关机部分。
电源配置
A4490支持在VDD引脚上提供逻辑电源电压的替代方案。此外,可以使用VBB或ENB管脚对IC进行上下电。
为VDD供电为了最小化功耗,特别是在高输入电压下,建议在VDD输入引脚上使用外部电源。通常,该电压来自3.3至5 V(VREGx)之间设置的三个调节输出之一。
从外部为VDD供电的另一个优点是降低了VBB欠压锁定级别。为了在VBB断电条件下最大限度地延长交换机的运行时间,支持两种可选的欠压关机条件,具体取决于已实现的VDD供电配置。如果未应用外部VDD,则VBB,VBBUV(sd)是典型的4.1v。当应用外部VDD时,VBB、VBBCPUV(sd)的最小值通常为3.5 V。
从VREG输出导出VDD时需要注意的一点是:在VBB的初始应用期间,由于VREG尚未达到规定值,内部偏置电源会自动从内部调节器启动。这意味着启动阈值由VBBUV(su)(4.3v典型值)确定,因为没有外部VDD。当VREG开始向外部提供VDD时,关闭阈值降低到VBBCPUV(sd)(典型值为3.5 V)。这假设VREG存在。
用VBB上下电参考图1,每个使能输入(ENBx)通过100 kΩ电阻器连接到VBB轨道保持高电平,VDD由一个调节器输出供电。当VBB电压达到最小阈值VBBUV(su)时,电荷泵电源(VCP)上升。当VBB+VCP达到最小阈值时-旧的VBBCPUV(su),所有三个调节器通道(VREGx)的软启动程序都已启动(tSS)。当三个调节器都达到85%FBx阈值时,启动上电复位定时器。通电复位周期(tPOR)结束后,PORZ变高,表明所有调节器和VBB均符合规范。

当VBB电压开始低于欠压警告级别(VBBUV(por))3.6 V(典型值)时,PORZ标志复位。这会提前警告系统控制器VBB电压正在下降。请注意,只有在外部提供VDD时,才能保证此功能。在此期间,三个开关继续工作。
当VBB进一步下降时,VCP电源也趋于下降,从而降低了对串联开关的驱动电压。此外,当这些特定转换器达到相应的最大占空比(Dmax)时,高压轨首先开始失去调节。
输出电压较低的稳压器在A4490断电前达到一定程度的稳态,此时所有相应的VBB欠压阈值都已达到。例如,如果VDD电源是从外部导出的,则1v输出可能继续工作到3.4v的VBB(典型值)。这种影响的程度取决于许多因素,包括输入和输出滤波器电容、输出负载、栅极驱动振幅、MOSFET RDS(on)等等。
使用Enable上下电,参见图2,
VBB存在,UVLO启动阈值、VBBUV(su)和VBBCPUV(su)已达到。每个调节器依次启用。最初,VREG1启用,并在软启动电路(tSS)的控制下启动。在VREG1达到85%FB1之前,VREG2被启用,并在单独的软启动控制下启动。
当两个调节器都达到各自的85%FB阈值时,启动上电复位(POR)计时器。请注意,只有在所有启用的调节器达到其相应的85%FB水平后,才能启用POR计时器。通电复位时间tPOR过去后,如果VREG1和VREG2的FB电平不低于其各自的80%FB电平,则PORZ信号将变高。
稍后,如果VREG3被启用,则PORZ被重置,VREG3在软启动电路的控制下启动。当达到85%FB3阈值时,启动POR计时器。经过tPOR之后,如果所有FB电平都高于各自的80%FB电平,则PORZ信号将变高。
注意,如果任何调节器通道未启用,通道将不会影响波茨。为了避免PORZ信号的多个信号变化,建议系统设计为在tPOR过去之前,所有三个调节器通道都在规范范围内。
如果任何调节器通道下降到80%FB以下,则将重置PORZ信号。如果电压随后恢复到85%FB内,则再次启动POR计时器。注意,当反馈电压降至80%FB水平以下时,软启动不会启动。这是为了在过载或类似故障的情况下允许快速自动重启。如果需要软启动,建议在收到PORZ复位信号时,系统控制器禁用,然后再次重新启用相关调节器通道。一旦最后一个调节器被禁用,PORZ信号被重置。
上电复位通电复位持续时间(tPOR)通过选择连接到CPOR引脚的适当电容器来确定。tPOR的值可以通过以下公式确定:

当两个VBB都高于欠压警告级别,并且启用的调节器的FB引脚大于V REG电压的85%时,PORZ输出将变高。
由于外部电容器是通过5μa电流源充电的,因此在布局中必须小心,以避免额外的泄漏路径。电容器应靠近CPOR引脚,与A4490 GND引脚的接地连接应尽可能短。
建议将tPOR周期设置为超过所有三个调节器的启动阶段,以避免PORZ输出多重触发的可能性。
输出电压选择三个调节器上的输出电压通过以下关系进行设置,如下所示,用于VREG1通道:

其中R2(接在GND和FB1引脚之间)应为4.7和12 kΩ之间的值。R1连接在输出导轨和FB1引脚之间。VREG1是设定的输出调节器电压。VFB是参考电压。
反馈电阻的公差影响电压设定值。因此,在确定总体监管数字时,必须考虑公差选择。
从FB1节点流入R2的偏置电流IBIAS会给输出端引入一个小的电压偏移。
启用每个调节器通道可通过相应的ENBx引脚单独启用。如果在施加VBB电压后需要任何通道自动启动,则该特定通道应通过上拉电阻器将ENB引脚连接到VBB导轨。
应选择该电阻器,以将电流限制在小于最大规定值1毫安的范围内。这样可防止内部保护夹打开。建议使用100 kΩ上拉电阻器。这将确保当VBB=36v时,电流保持在最大值以下。
软起动每个调节器通道包含一个软启动电路。当适当的调节器启用输入设置为高;VBB、充电泵和偏置电源电压高于最小值;并且不存在热关机条件时,软启动循环启动。注意,过载或短路不会导致软启动循环,除非发生热关机事件。
在软启动循环期间,参考电压从0到0.8 V(典型值),这反过来迫使电流需求信号以线性方式增加。
关闭在发生热关机事件或VBB欠压的情况下,所有转换器通道都被禁用(VBBUV(sd)或VBBCPUV(sd))。
一旦上述故障条件被消除,并且假设ENB输入被启用,适当的信道将在软启动的控制下自动重启。
电流限制每个通道的典型峰值电流限值至少为2.5 A,占空比为0.9。最小电流限值出现在最大占空比(0.9)时,因为在这种情况下斜率补偿的影响最大。随着占空比的减小,电流限制增大。这意味着对于工作循环窄的应用,可以在负载电流大于2.0A的情况下工作。
图3显示了典型的峰值电流极限与占空比。例如,可以在峰值电流限制为3.75 a、占空比为0.3的情况下工作。
除了确保不超过峰值电流限制外,在最坏的负载和输入电压条件下,检查对热性能的影响也很重要。
组件选择
感应器电感值L决定纹波电流。必须确保在最坏情况下不超过最小电流限制:VBB(min)、ILOAD(max)、fSW(min)和L(min)。
建议使用间隙铁氧体溶液,而不是粉末铁溶液,后者表现出相对较高的磁芯损耗,对长期可靠性有很大影响。
电感通常在两个电流水平,均方根电流和饱和电流指定。关于均方根电流,了解如何根据环境温度规定均方根电流水平是很重要的。一些制造商只引用环境温度,而其他制造商则引用包括自感温升的温度。例如,如果电感器的额定温度为85°C,并且在最大负载下包括25°C的自感温升,则电感器在满负载下不能安全地工作超过60°C的环境温度。均方根电流可以简单地假设为最大负载电流,可能有一定的裕度以允许过载等。
确定电感器值的第一阶段是指定典型地约为最大负载的20%到25%的峰间纹波电流。

最大峰间纹波电流iriple出现在最大输入电压下。因此,应在这些条件下找到占空比D(对于VREG1通道):

其中,Vf是再循环二极管的正向压降。
所需电感可以找到:

注意,制造商的电感公差也应考虑在内。该值可能高达±20%。峰值电流不应超过1A,以避免由于斜率补偿不足而导致最内部电路回路不稳定。
可从中找到最大峰值电流,以确保不超过所选电感器的饱和电流水平:

推荐的电感器制造商和范围是:
•Taiyo Yuden:1.5 A输出的NR6045系列
•Taiyo Yuden:NRG4026系列,用于1.0A输出
•Sumida:CDH74系列,用于1.5 A输出
输出电容器出于尺寸、成本和性能的考虑,强烈建议使用陶瓷X5R或X7R电容器类型。使用陶瓷电容器时,另一个重要考虑因素是电场对电容器实际值的影响。为了减小电容随输出电压降低的影响,建议电容器的工作电压远大于设定的输出电压。建议3.3v及以下的输出电压应使用6.3v额定电容器。
对于5V的输出电压,应使用10V额定电容器。
输出电容器决定输出电压纹波,用于闭合控制回路。为了保证稳定性,电容必须随着输出电压的降低而增加。从纹波电压的角度来看,这实际上是合理的,因为纹波电压通常被指定为输出电压的百分比。
下表列出了给定输出电压下的最小输出电容:

大于上述值的电容值可用于降低带宽的效果。这在对纹波/噪声要求极低的系统中可能是必要的。
输出纹波在很大程度上取决于输出电容,如果观察到良好的布局实践,则可以忽略ESR和ESL的影响。
输出电压纹波可近似为:

当使用陶瓷电容器时,通常不需要考虑载流能力,因为ESR的发热效应可以忽略不计。此外,流入输出电容器的均方根电流极低。
输入电容器再次强烈建议使用陶瓷、X5R或X7R电容器。
输入电容的值决定了电源(VBB电源)端子上出现的电流纹波(EMI)量。流入和流出输入电容器的电流量取决于输入电容器阻抗和源阻抗之间的相对阻抗。为了获得低阻抗滤波器解决方案,建议至少并联两个电容器。
同样,一般不需要考虑流过ESR的均方根电流的加热效应。此外,每一个调节器输入电流的移相也有助于降低总的均方根电流。
反激二极管这个二极管在关断期间导通。建议使用肖特基二极管以最小化正向压降和开关损耗。
当占空比D最小时,最坏情况下的耗散发生在最大VBB处。通过二极管的平均电流如下:

正向压降Vf可以通过实际负载电流(而不是平均电流)从二极管特性中找到。
静态功耗如下:

还必须考虑封装的热额定值Rθ和环境温度,以确保提供足够的散热,以将二极管结温度保持在设备的安全工作区域内。
为了尽量减少A4490对二极管的加热效应,反之亦然,建议将二极管安装在印刷电路板的背面。
支撑部件POR电容器(C11)、电荷泵电容器(C1)、储能电容器(C2)和VDD滤波电容器(C12)应为陶瓷X5R或X7R。
热因素
为确保A4490在安全操作区域内运行,这实际上意味着将接头温度限制在150°C以下,应进行多次检查。一般的方法是计算出对于特定的功率耗散,在给定的温度下,需要什么样的热阻抗(R)来维持结温。
另一个值得考虑的因素是系统PCB上的其他功耗组件可能会影响A4490的热性能。例如,来自再循环二极管和感测电阻器的功率损耗贡献可能导致A4490的结温高于预期。
以下步骤可作为确定合适热溶液的指南。需要注意的是,这个过程通常是一个迭代过程,以获得最优解。这些因素可以考虑如下:
第一步。估计应用程序的最高环境温度TA(max)。
第二步。定义最大结温TJ(max)。注意,绝对最高温度为150°C。
第三步。确定最坏情况下的功耗,PD(max)。
评估应在最大负载和最小VBB下考虑这些因素。影响因素包括开关静态和动态损耗以及控制损耗。以下各节将对其进行说明开关静态损耗以下步骤可用于确定开关静态损耗:
估计最大占空比:

其中Vf是肖特基二极管在给定负载电流下的正向压降。
在给定的连接温度下,估计每个调节器开关的RDS(开):

注意,如果VBB范围限制在4.5到5.5 V之间,则RDS(打开)将增加。例如,如电气特性表中所述,在25°C时,VBB大于6 V的RDS(开)为典型的450 mΩ。在相同的温度条件下,当VBB=4.5v时,RDS(on)通常为560mΩ。对于电压在4.5-6v之间的VBB,RDS(on)可以通过线性近似找到。有关在4.5至5.5 V的VBB电压之间操作A4490的更多信息,请参阅电源配置部分。
可确定每个开关的静态损耗:

其中ILOAD是特定调节器信道的负载。
开关动态损耗以下可用于确定开关动态损耗:
开关损耗可估算为:

其中fSW是开关频率。
控制损失以下步骤可用于确定控制损失:

其中IBBON是假设三个调节器都打开时的静态电流

其中IVDD和是VDD上的静态电流。
总损失现在可以估计总损失:

热阻抗现在可以确定解决方案所需的热阻抗:

例子
所选参数:

(a) 开关静态损耗

可以找到每个开关的RDS(on):

每个开关的静态损耗如下:

(b) 开关动态损耗

(c) 控制损失

(d) 现在可以找到总功耗:

(e) 溶液所需的热阻抗如下:

对于这种特殊的解决方案,需要一个高热效率的板来确保连接温度保持在115°C以下。为了获得最大的效率,A4490热板下面的PCB板区域应该是暴露的铜。应使用几个热通孔(例如4到8之间)将热垫连接到内部接地平面。如果可能的话,一个额外的热铜平面应该应用到PCB的底部,并通过通孔连接到A4490的热垫上。
该计算假定不受其他部件的热影响。如果可能,建议将反激二极管安装在印刷电路板的背面。确保在板层之间实现低阻抗电气连接。
印刷电路板布局指南地平面在很大程度上取决于前一节所述的热要求。地面参考电源部件应参考远离A4490的星形地面,以尽量减少地面反弹问题。
A4490附近的一个小的、局部的、相对安静的接地平面应用于地面参考支撑部件,以尽量减少来自电源电路的地面噪声的干扰影响。图4说明了推荐的接地体系结构。
为避免接地反弹和偏移问题,强烈建议接地参考反馈电阻器(R2、R4和R6)应尽可能靠近A4490的接地连接。
可以在这些部件周围实现局部安静接地平面,但是,该接地平面应具有与功率级星形连接的高阻抗连接。
如果使用地平面,建议不要重叠开关节点(LX1、LX2和LX3),以避免噪声拾取的可能性。为尽量减少噪声注入问题的可能性,建议隔离高阻抗节点(如:FBx、ENBx和CPOR)周围的接地平面。
在电力元件接地方面,应采用星形连接,以使接地回路阻抗最小。注意尽管可能需要一个接地平面来满足解决方案的热特性,但仍然必须为电源组件实现接地星形连接。充电泵(PGND)的接地应连接到热通孔。
下面的图5和6说明了保持接地连接尽可能短和形成良好星形连接的重要性。
图5还说明了开关场效应管通电周期中的电流传导路径。应注意以下几点:
•电容器CIN应尽可能靠近VBB端子。电容应在VREG1和VREG3的VBB端子和VREG2的VBB端子之间分开。

VREG1和VREG2的VBB端子应通过短而宽的轨迹连接到VREG3的VBB端子。
•每个电感器应尽可能靠近各自的开关FET(LX1、LX2和LX3)和输出电容器。
图6显示了开关场效应管关断周期内的电流传导路径。应注意以下几点:
•二极管D应尽可能靠近开关FET和电感。
•支撑部件:POR电容器(C11)、电荷泵电容器(C1)、储能电容器(C2)和VDD滤波电容器(C12)应尽可能靠近其各自的端子连接。接地参考电容器应尽可能靠近接地端子。
供电配置以下三个图表显示了为应用程序提供电源的典型配置。中间的图表对应于首页所示的典型应用程序。

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