一種低價(jià)簡(jiǎn)易電源的設計
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
以圖1為例，Vin=12V，VO=1.8V，L=15μH，
fOSC=150kHz，VRIPPLE=60mV，計算出的ESR是90mΩ。
輸出電容的ESR會(huì )在輸出負載電流變化時(shí)產(chǎn)生一個(gè)電壓變化值（VT），為了滿(mǎn)足輸出電壓變化值要求，輸出電容的ESR必須同時(shí)滿(mǎn)足式（5）。
ESR
（5）
以圖1為例，如果輸出電壓動(dòng)態(tài)變化值是輸出電壓值的10％（VT=10％×1.8=180mV），如果負載電流變化值是1A，所需要的輸出電容ESR是180mΩ。為了同時(shí)滿(mǎn)足輸出電壓紋波和動(dòng)態(tài)變化，應該選擇最小ESR的電容。所以，在本例中選用90mΩ/1000μF電解電容。
2.3 反饋分壓電阻
上端的反饋分壓電阻可在5～15kΩ之間選擇。下端的電阻值可由式（6）算出。
Rbot=
Rtop（6）
在式（6）中，1.25V為SC2618內部電壓基準。以圖1為例，如果Rtop=10kΩ，為得到1.8V輸出電壓，Rbot=22.7kΩ。最終經(jīng)實(shí)驗調整Rbot為22.1kΩ。一般來(lái)講Rtop和Rbot應選用1％精密電阻。
2.4 輸入電容
輸出滿(mǎn)載時(shí)輸入電容的ESR在電源輸入端所產(chǎn)生的紋波電壓是
ΔvESR=ESR
Io（7）
式中：δ為電感上紋波電流與負載電流的比例。
圖1中δ=20％。假如該電源輸入端能接收500mV的紋波電壓，計算出來(lái)的輸入電容的ESR是130mΩ。為了簡(jiǎn)單可以選擇同樣的1000μF，90mΩ電解電容。
2.5 功率場(chǎng)效應管
對有著(zhù)高輸入電壓低輸出電壓的同步降壓變換器而言，上端場(chǎng)效應管導通的時(shí)間很短。下端場(chǎng)效應管導通的時(shí)間很長(cháng)，但是，下端場(chǎng)效應管轉換電壓幾乎為零。在這樣的應用中，柵極電容較?。▋茸栎^大）的場(chǎng)效應管適用于上端開(kāi)關(guān)，柵極電容較大（內阻較?。┑膱?chǎng)效應管適用于下端開(kāi)關(guān)。在本例中所用的場(chǎng)效應管是通過(guò)它的內阻（RDSON），柵極電容/電荷，和封裝熱阻（θJA）這3個(gè)參數來(lái)選擇的。利用SC26180.5A內置驅動(dòng)器，一個(gè)柵極電荷為25nC的場(chǎng)效應管會(huì )產(chǎn)生大約50ns的開(kāi)關(guān)升/降時(shí)間（ts=25nC/0.5A）。ts會(huì )在上端場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗（Ps）如式（8）表示
Ps=IOVINtsfOSC（8）
在圖1中，Ps是0.3W。
由于在上端和下端場(chǎng)效應管之間無(wú)重疊傳導，下端場(chǎng)效應管漏極和源極的寄生二極管或外部肖特基二極管總是在下端場(chǎng)效應管導通之前導通。下端場(chǎng)效應管導通電壓僅為一個(gè)在漏極和源極之間二極管的電壓。下端場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)損耗為零。上端和下端場(chǎng)效應管在導通時(shí)的損耗可由式（9）及式（10）來(lái)計算。
PC_TOP=IO2RdsonD（9）
PC_BOT=IO2Rdson(1－D)（10）
以圖1為例，選用的場(chǎng)效應管是AO4812。AO4812上下端導通內阻都是28mΩ，在3.5A負載時(shí)上下端導通損耗是0.35W。整個(gè)AOS4812損耗為0.65W（PLoss=0.3W＋0.35W）。場(chǎng)效應管的結溫可由式（11）來(lái)計算。
TJ=TA＋θJAPLoss（11）
從AO4812手冊上可查到它最大的結溫至室溫的熱阻是110℃/W（θJA），在3.5A負載下AOS4812損耗為0.65W，這時(shí)AO4812SOIC8封裝結溫在40℃的室溫狀態(tài)下是111.5℃。這數值遠小于芯片150℃時(shí)的結溫限制。
對于大電流輸出上的應用（>3.5A），可以采用低內阻抗場(chǎng)效應管來(lái)限制它的導通損耗，并利用外加散熱器將它的結溫控制在110℃之內。
3 實(shí)驗結果
對于單輸入電源，SC2618需要一個(gè)由低值電容（0.1μF～1μF，25V）和一個(gè)小信號二極管（1N4148）的自舉電路，將BST管腳上的電壓提升到輸入電壓以上，作為上端N溝道場(chǎng)效應管驅動(dòng)電壓。腳Vcc一般會(huì )用一個(gè)1μF/25V旁路瓷片電容。另外還需要在輸入和腳Vcc之間加一個(gè)低值電阻（2～10Ω）來(lái)消除腳Vcc上的噪音。
表1顯示了12V/(1.8V/3.5A)電源在不同負載電流下的效率。表2顯示了同樣電源在5V輸入電壓下的效率?？梢钥吹酱穗娐吩?.8V輸出電壓應用中效率可保持在85％～90％。同樣的電源如果用非同步的芯片效率會(huì )低很多。
表1 12V/(1.8V/3.5A)電源效率
| Vin/V | Iin/A | Vo/V | Io/A | 效率/％ |
|---|---|---|---|---|
| 12.0 | 0.018 | 1.83 | 0.0 | 0.0 |
| 12.0 | 0.097 | 1.82 | 0.5 | 78.4 |
| 12.0 | 0.178 | 1.82 | 1.0 | 85.6 |
| 12.0 | 0.266 | 1.82 | 1.5 | 85.9 |
| 12.0 | 0.353 | 1.81 | 2.0 | 85.7 |
| 12.0 | 0.445 | 1.82 | 2.5 | 85.4 |
| 12.0 | 0.543 | 1.82 | 3.0 | 83.7 |
| 12.0 | 0.644 | 1.82 | 3.5 | 82.4 |
表2 5V/(1.8V/3.5A)電源效率
| Vin/V | Iin/A | Vo/V | Io/A | 效率/％ |
|---|---|---|---|---|
| 5.0 | 0.012 | 1.81 | 0.0 | 0.0 |
| 5.0 | 0.202 | 1.81 | 0.5 | 89.2 |
| 5.0 | 0.401 | 1.81 | 1.0 | 90.3 |
| 5.0 | 0.611 | 1.81 | 1.5 | 88.3 |
| 5.0 | 0.838 | 1.81 | 2.0 | 86.7 |
| 5.0 | 1.053 | 1.80 | 2.5 | 85.0 |
| 5.0 | 1.319 | 1.81 | 3.0 | 82.6 |
| 5.0 | 1.562 | 1.79 | 3.5 | 80.0 |
圖4顯示了12V/(1.8V/3.5A)電源在空載下的波形。最上面的波形是1.8V輸出電壓紋波，測出來(lái)的紋波值是53mV，非常接近前面計算出來(lái)的60mV值。中間波形是上端和下端場(chǎng)效應管驅動(dòng)電壓。最下面波形是BST管腳上的電壓。測量出來(lái)的開(kāi)關(guān)頻率是123kHz。
圖4 12V/(1.8V/3.5A)開(kāi)關(guān)電源波形(空載)
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