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基于S-8355/56/57/58的PWM/PFM切换控制
日期:2007/2/1 14:37:44   作者:精工电子有限公司

S-8355/56/57/58系列是一种由基准电压源、振荡电路、误差放大器、相位补偿电路、PWM控制电路(S-8355/57系列)、PWM/PFM切换控制电路(S-8356/58系列)等构成的CMOS升压DC/DC控制器。通过使用外接低通态电阻N沟道功率MOS,即可适用于需要高效率、高输出电流的应用电路上。主要用途包括:数码相机、电子记事本、PDA等移动设备用电源;CD随身听、MD等音响装置用电源;照相机、视频设备、通信设备的稳压电源;以及微机用电源。

1、S-835x器件特点

S-8355/57系列产品通过以线性方式在0~83%(250kHz、300kHz、600kHz产品为0~78%)范围内改变占空系数的PWM控制电路和设定在最佳状态的误差放大电路、相位补偿电路,来获得低纹波、高效率和良好的过渡特性。S-8355/57系列根据负载电流的不同,虽然脉冲幅度会在0~83%(F、G、H、J、L、M、N、P、Q型产品为78%)的范围内产生变化,但开关频率并不产生变化。因此可利用过滤器容易地排除因切换而发生的纹波电压。此外,由于脉冲幅度为0%时(无负载或输入电压高时)脉冲被跳过,因此消耗电流低。
S-8356/58系列在输出负载电流大的领域内,脉冲幅度可在15~83%(F、G、H、J、L、M、N、P、Q型产品为78%)的范围内,利用发生变化的PWM控制来进行工作。在输出负载电流小的领域内,作为PFM控制的脉冲幅度为15%的固定脉冲,可根据负载电流量而被跳过。因此,振荡电路变为间隔振荡,可抑制其自身消耗电流,所以在低负载时可以防止效率的降低。从PWM控制切换到PFM控制的切换要点,因外接部件(线圈、二极管等)以及输入电压值、输出电压值而不同,特别是在输出电流为100μA左右的领域内,可构成高效率的DC-DC转换器。
S-835x利用软启动电路,在电源投入时、或ON/OFF端子为“H”时,可以抑制冲击电流以及输出电压的上冲。设定ON/OFF端子为“L”电位时,停止内部电路的全部工作,因此可大幅度地抑制消耗电流。另外,在内部即不被上拉也不被下拉,因此请不要在浮动状态下使用。而且,如果施加0.3~0.75V的电压会使电源的消耗电流増加,因此请不要施加电压。

2、工作原理

升压型DC/DC控制器的基本方式如图1。

S-8355 PWM/PFM Seiko-1

图1 升压型DC/DC控制器的基本电路

3、外接部件的选定

(1)电感器

电感值(L值)对最大输出电流(IOUT)和效率(η)产生很大的影响。L值变得越小,峰值电流(IPK)就变得越大,提高电路的稳定性并使IOUT増大。接着,若使L值变得更小,会降低效率而导致开/关切换晶体管的电流驱动能力不足,促使IOUT逐渐减少。
L值逐渐变大时,开/关切换晶体管的IPK所引起的功耗也随之变小,达到一定的L值时效率变为最大。接着,若使L值变得更大,因线圈的串联电阻所引起的功耗变大,而导致工作效率的降低。IOUT也会减少。
因为振荡频率较高的产品可以选择L值较小的产品,因此可使线圈的形状变小。
B、E、K型产品推荐使用22~100μH、F、G、H、J、L、M型产品推荐使用4.7~47μH、N、P、Q型产品推荐使用3.0~22μH的电感器。
此外,在选用电感器时,请注意电感器的容许电流。若电感器流入超过此容许电流的电流,会引起电感器处于磁性饱和状态,而明显地降低工作效率并导致IC的破损。
因此,请选用IPK不超过此容许电流的电感器。

(2)二极管

所使用的外接二极管请满足以下的条件:正向电压较低(VF<0.3V),开关切换速度快(500ns最大值),反向耐压在VOUT+VF以上,电流额定值在IPK以上。

(3)电容器(CIN、CL)

输入端电容器(CIN)可以降低电源阻抗,另外可使输入电流平均化而提高效率。请根据使用电源的阻抗的不同而选用CIN值。
输出端电容器(CL)是为了使输出电压变得平滑而使用的,升压型的产品因为针对负载电流而断续地流入电流,与降压型产品相比需要更大的电容值。在输出电压较高以及负载电流较大的情况下,由于纹波电压会变大,因此请根据各自的情况而选用相应的电容值。推荐使用10μF以上电容器。
为了获得稳定的输出电压,请注意电容器的等效串联电阻(RESR)。因RESR的不同,输出的稳定领域会产生变化。因电感值(L值)的不同而异,使用30~ 500mΩ左右的RESR,可以发挥最佳的特性。但是,最佳的RESR值因L值以及电容值、布线、应用电路(输出负载)而不同,请根据实际的使用状況,在进行充分的评价之后,再予以决定。

(4)外接晶体管

外接晶体管可以使用增强(N沟道)MOSFET型或者双极(NPN)型产品。

A、增强(N沟道)MOSFET型
所选用的MOSFET,请使用N沟道功率MOSFET。由于所外接的功率MOSFET的门极电压以及电流,是由升压后的输出电压(VOUT)来供应,因此可以更有效地驱动MOSFET。
因所选用的MOSFET的不同而异,在接通电源时有可能流入较大的电流。请在实际电路上进行充分的评价基础上,再予以使用。推荐使用MOSFET的输入容量在700pF以下的产品。
另外,MOSFET的通态电阻依靠输出电压(VOUT)与MOSFET的阈值电压的电压差,因此会对输出电流量以及效率产生影响。特别是,像S-8352A20产品的那样,输出电压为2.0V,处于电压较低的情况下,如果不选用带有输出电压值以下的阈值电压的MOSFET,电路就不能正常工作,务请注意。

B、双极(NPN)型
建议使用Sanyo Electric Co., Ltd.生产的CPH3210(hFE=200~560)双极晶体管(NPN)。使用双极晶体管来增大输出电流时的驱动能力,该驱动能力由双极晶体管的hFE值和Rb值而决定。
推荐使用的Rb 值为1kΩ左右。实际上,来自双极晶体管(hFE)的所需要的基极电流(Ib)可按Ib=IPK/hFE求出,请选用比Rb=(VOUT-0.7)/Ib-0.4/IEXTH更小的Rb值。其中,IEXTH采用绝对值。
Rb值变小,可使输出电流増大,但会导致效率恶化。另外,在实际应用时,因为电流在脉冲上流动、或由于布线电阻等,会引起电压的下降,因此请在实际测试中求出最佳值。
此外,与Rb电阻并联连接加速电容器(Cb),会减少开关切换的功耗而提高效率。请按Cb≤1/(2π·Rb·fOSC·0.7)为参考标准来选用Cb值。但是,在实际应用中,因所使用的双极晶体管特性的不同,最佳的Cb值也不同,请在进行充分的评价基础上,再选用Cb值。

(5) VDD分离型产品(D、J、G、P)EXT端子的输出振幅

EXT端子的输出振荡幅度的范围为从GND开始到S-8355/56/57/58的内部电路的电源电压为止。
普通型产品(S-8357/58的B、H、F、N系列)由于内部电路的电源是从VOUT端子获得,因此,EXT输出振荡幅度的范围为GND~VOUT。
S-8355/56以及S-8357/58的VDD分离型产品(D、J、G、P系列)由于内部电路的电源是作为VDD端子来输出,因此,EXT输出振荡幅度的范围为GND~VDD,例如如果对VDD端子施加VIN电压,那么EXT输出振荡幅度的范围变为GND~VIN。

4、应用电路

(1)LCD用电源

以驱动LCD面板(15V、20V输出)为应用对象的电路示例和其特性如图2所示。

S-8355 PWM/PFM Seiko-2

图2 LCD用电源电路示例

(2)陶瓷电容器使用示例

输出侧电容使用陶瓷电容器等RESR较小的部件时,请与陶瓷电容器(CL)串联连接上相当于RESR的电阻(R1)。
R1因L值以及电容值、布线、应用电路(输出负载)的不同而异。图3是以使用R1=100mΩ、输出电压为3.3V、输出负载为500mA为应用对象的电路示例。

S-8355 PWM/PFM Seiko-3

图3 陶瓷电容器使用电路示例

在实际应用中,应注意以下事项:
(1)外接的电容器、二极管、线圈等请尽量安装在IC的附近。
(2)包含了DC/DC控制器的IC,会产生特有的纹波电压和尖峰噪声。另外,在电源投入时会产生冲击电流。这些现象会因所使用的线圈、电容器以及电源阻抗的不同而受到很大的影响,因此在设计时,请对应用电路进行充分的评价。
(3)开/关切换晶体管的功耗(特别在高温时)不要超过封装的容许功耗。
(4)DC/DC控制器的性能会因为基板布局、外围电路、外围部件的设计的不同而产生很大的变化。

详细应用信息,请访问精工电子有限公司(Seiko Instruments Inc.)网站www.sii-ic.com

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