AN-1168: 采用ADP2384/ADP2386同步降压DC-DC稳压器设计反相电源 (Rev. 0) PDF

AN-1168
应用笔记
One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com
采用ADP2384/ADP2386同步降压DC-DC稳压器
设计反相电源
作者:Ricky Yang
简介
双极性放大器、光模块、CCD偏置和OLED显示屏等应用通
电,输出电容则向负载提供能量。断开时,开关S1断开,
常需要通过正输入电压提供负输出电压。电源管理系统的
S2导通,电流从电感流向负载,同时给输出电容充电。
设计人员需要多功能开关控制器和稳压器,以便解决这些
注意,电流从接地端流向VOUT,从而产生负输出电压。
电源管理挑战。ADI公司的ADP2384和ADP2386开关稳压
器提供同步降压功能。ADP2384可在高达4 A的条件下将20 V
VIN
的输入电压降为0.6 V的输出电压,ADP2386则可在200 kHz
CIN
至1.4 MHz的开关频率范围内实现高达6 A的输出电流。
S1
S2
+
L
VOUT
RLOAD
COUT
虽然ADP2384和ADP2386是针对同步降压应用而设计,但
10987-001
+
图1. 降压/升压拓扑结构
这些器件的多功能性使得它们能够在不增加成本、元件数
VIN
量和解决方案尺寸的情况下实现反相降压/升压拓扑结构,
进而通过正输入电压产生负输出电压。
CIN
S1
+
S2
L
VOUT
RLOAD
COUT
此外,这种同步拓扑结构相对于异步拓扑结构具有一定的
优势,例如在较低的输出电压条件下可实现更高的效率,
10987-002
+
图2. 接通时的电流流向
VIN
工作条件下都会保持连续导通模式(CCM);异步拓扑结构
则会进入断续导通模式(DCM)和脉冲跳过模式(PSM)且输
CIN
+
S1
S2
VOUT
L
COUT
+
出负载电流降低,其噪声会比CCM大。
RLOAD
10987-003
轻负载工作时噪声更低。同步拓扑结构在轻负载和重负载
本应用笔记介绍如何在同步反相降压/升压拓扑结构中实施
图3. 断开时的电流流向
ADP2384/ADP2386,以便从正输入电源产生负输出电压。
通过对拓扑结构应用电感伏秒平衡和电容电荷平衡的原
此外还探讨了一些问题和可能的解决方案。
理,可算出稳态转换比,如方程1所示。方程2中指定了CCM
下的直流电感电流值IL,方程3则显示了电感纹波电流∆IL。
降压-升压拓扑结构基本原理
图1显示了简化的降压/升压拓扑结构。该拓扑结构由一个电
感、两个彼此错相的电源开关以及输入和输出电容组成。
图2和图3分别是接通时和断开时的电流流向图。接通时,
开关S1导通,S2断开,电流从输入电容流出,给电感充
−D
VOUT
=
VIN
1− D
IL =
I OUT
1− D
∆I L =
Rev. 0 | Page 1 of 8
−VOUT × (1 − D )
L × f SW
(1)
(2)
(3)
AN-1168
目录
简介.................................................................................................... 1
输入电容选择 .................................................................................. 4
降压/升压拓扑结构基本原理 ...................................................... 1
补偿选择 ........................................................................................... 4
修订历史 ........................................................................................... 2
使能信号电平转换 ......................................................................... 5
利用ADP2384/ADP2386的实现方法 .......................................... 3
启动前降低VOUT斜升 ..................................................................... 5
输出电压设置 .................................................................................. 3
结论.................................................................................................... 6
电感选择 ........................................................................................... 3
相关链接 ........................................................................................... 6
输出电容选择 .................................................................................. 4
修订历史
2012年11月—修订版0:初始版
Rev. 0 | Page 2 of 8
AN-1168
利用ADP2384/ADP2386的实现方法
要利用ADP2384/ADP2386同步降压稳压器实现降压/升压
表2. 适用于不同输出电压的电阻分压器
拓扑结构反相电源应用,必须考虑表1所列的一些设计限制。
VOUT (V)
−1.2
−1.8
−2.5
−3.3
−5
−12
−15
表1. 设计限制
电压和电流
VIN_MIN
VIN_MAX + |VOUT|
IL_PEAK
>
<
<
ADP2384/
ADP2386
4.5 V/4.5 V
20 V/20 V
6.1 A/ 9.6 A
器件参数
VUVLO
VMAX
IOCP
降压/升压电路的最低输入电压必须高于ADP2384/ADP2386
的UVLO电压,使稳压器工作的典型值为4.5 V。最大输入电
压与输出电压绝对值的和必须小于稳压器的最大工作输入
电压VMAX,其典型值为20 V。此外,确保电感峰值电流小于
稳压器的OCP触发点,以便电路能够正常工作。
输出电容须按照在降压拓扑结构中的方式连接。注意,如
图4所示,接地点和输出电压点相反。
电感选择
电感值取决于工作频率、输入电压和电感纹波电流。使用
小电感可引起较快的瞬态响应,但会因为电感纹波电流较
大而降低效率。使用大电感则会实现较小的纹波电流和较
原则上讲,电感纹波电流ΔIL通常设置为最大电感平均电流
IAVG的30%。可通过以下方程计算电感值:
L=
ADP2384/ADP2386
CBST
EN
CSS
FB
RT
RBOT
COMP
RC
VREG
SS
D为占空比:
RTOP
SYNC
CVREG
VIN为输入电压。
SW
PGOOD
RT
L
CCP
GND
D=
COUT
CC
PGND
VOUT
10987-004
CIN
VIN × D
K RP × I AVG × f SW
其中:
BST
PVIN
RBOT ± 1% (kΩ)
10
10
15
2.21
3
1.47
1.5
高的效率,但会导致瞬态响应变慢。
为了将同步降压稳压器转换为降压/升压拓扑结构,电感和
VIN
RTOP ± 1% (kΩ)
10
20
47.5
10
22
28
35.7
VOUT
VOUT + VIN
KRP为系数,典型值是30%。
IAVG为平均电感电流。
I AVG =
图4. 利用ADP2384/ADP2386实现的
反相降压/升压拓扑结构
I OUT
1− D
输出电压设置
fSW为开关频率。
输出电压通过一个外部电阻分压器设定。可通过以下方程
峰值电感电流等于直流分量与峰峰值电感纹波电流的一半
计算电阻值
之和。
RTOP = RBOT
V
− 0.6
× OUT
0.6
I PEAK = I AVG +
I AVG × K RP
2
FB偏置电流(最大0.1 μA)会引起输出电压精度降低,要将降
峰值电感电流也是内部电源开关的峰值电流,该开关是用于
幅限制在0.5%(最大值)以内,应确保RBOT < 30 kΩ。
确定是否产生电流限制的检测元件。为避免过早产生电流限
表2列出了针对各种输出电压推荐的电阻分压器。
制,峰值电感电流不应超过OCP阈值电流,即器件的IOCP。
Rev. 0 | Page 3 of 8
AN-1168
考虑到这一最大峰值电感电流,反相降压/升压拓扑结构中
2
×D
∆I L2
I
2
I RMS _ COUT =  OUT
× (1 − D ) + I OUT
×D
 × (1 − D ) +
12
 1− D 
在600 kHz开关频率下用于共模输入电压的ADP2384/ADP2386
应用空间如图5所示,其中假设峰峰值电感纹波电流为电
感平均电流的40%。
注意,输入电流在反相降压/升压拓扑结构中也是非连续
VIN = 5V (ADP2386)
VIN = 12V (ADP2386)
VIN = 5V (ADP2384)
VIN = 12V (ADP2384)
6
的。假设在接通时输入电容的能量损耗所引起的输入电压
偏差小于输入电压的5%,则通过下式可计算满足此要求的
最小输入电容。
5
C IN =
4
3
f SW
I AVG × D
× 0.05 × VIN − I PEAK × ESRCIN
(
)
其中:
IAVG为平均电感电流。
2
ESRCIN为输入电容的等效串联电阻。
1
–15
–10
–5
OUTPUT VOLTAGE (V)
0
建议至少使用一个10 µF陶瓷电容,而且应该尽可能靠近PVIN
引脚放置。所选输入电容的电流均方根值应大于下式计算值。
图5. 共模输入电压的应用空间(fSW = 600 kHz)
2
 2
∆I 2 
D 2 × I OUT
I RMS _ CIN =  I OUT
+ L ×D +
12 
1− D

电感的饱和电流必须大于峰值电感电流。对于具有快速饱
和特性的铁氧体磁芯电感,电感饱和电流额定值应该大于
虽然输入电压轨上的大多数电容都以系统接地为基准,但
开关的限流阈值。这样可以防止电感通过正常工作达到饱
在输入电压与ADP2384/ADP2386的GND引脚之间再放置一
和点。
个输入去耦电容可以减小输出电压纹波,并改善瞬态响应
输出电容选择
性能,如图6所示。
注意,输出电流在反相降压/升压拓扑结构中是非连续的。在
接通时,随着电感中储存的能量增加,输出电容向负载提供
能量。在断开时,电感同时向负载和输出电容提供能量。
ADP2384/ADP2386
VIN
BST
PVIN
CIN
CIN2
CBST
EN
PGOOD
输出电容的电容值最大的问题之一是容许的输出电压纹
RT
CVREG
个是输出电容的等效串联电阻(ESR)。以下方程提供了让输
CSS
出电压纹波保持在容许范围内所需的最小电容估算值。
COUT ≈
RTOP
SYNC
波,它取决于输出电容的两个参数。一个是电容值,另一
I OUT × D
f SW × ( ∆Vripple − I PEAK × ESR )
FB
RT
RBOT
COMP
RC
VREG
SS
L
SW
CCP
GND
COUT
CC
PGND
VOUT
图6. VIN 与GND引脚之间连接输入去耦电容的
反相降压/升压拓扑结构
其中:
补偿选择
∆Vripple为容许的输出纹波电压。
ESR为输出电容的总等效串联电阻。
在反相降压/升压拓扑结构中应用同步降压稳压器以产生负
IPEAK为电感峰值电流。
输出电压时,功率级传递函数会因为不同功率电路拓扑结
为了实现尽可能低的输出纹波电压,建议使用ESR值非常
低的MLCC电容。所选输出电容的均方根电流额定值应大
构而发生变化。为了实现系统的稳定闭环,应该重新设计
补偿网络的值。
于下式计算值:
Rev. 0 | Page 4 of 8
10987-006
0
–20
10987-005
MAXIMUM OUTPUT CURRENT (A)
7
输入电容选择
AN-1168
降压/升压拓扑结构中功率级的控制-输出传递函数可写成
使能信号电平转换
以下形式:
ADP2384/ADP2386有一个EN引脚,用于使能和禁用稳压

 

s
s
1 − 2 × π × f  × 1 + 2 × π × f 
Z1  
Z2 
GVD ( s ) = K × 


s
1 +

 2 ×π × fP 
器。然而,在反相降压/升压应用中,IC以负输出电压(而
不是系统接地)为基准。如果试图禁用稳压器而将EN引脚
连接至系统接地点,结果完全有可能是ADP2384/ADP2386
仍在进行切换。
其中:
R × (1 − D )
Ri × (1 + D )
为此,可能的解决方案之一是使用NPN和PNP晶体管加上
若干电阻,并且通过合理连接形成EN电平转换电路,如图
R为负载电阻。
7所示。
Ri为电流检测增益,典型值是0.115 V/A。
ADP2384/ADP2386
传递函数GVD(s)有一个右半平面零点(RHPZ) fZ1、一个零点
VIN
fZ2和一个极点fP。零点和极点的值分别为:
(1 − D )
2
×R
fZ1 =
2 ×π × L × D
fZ 2 =
fP =
其中:
RESR是输出电容的等效串联电阻。
RTOP
SYNC
CVREG
CSS
FB
RT
RBOT
COMP
COUT
RC
VREG
SS
L
SW
EN
RT
OFF
CBST
PGOOD
EN
ON
1
2 × π × RESR × COUT
1+ D
2 × π × R × COUT
BST
PVIN
CIN
CCP
GND
CC
PGND
VOUT
10987-007
K=
图7. 反相降压/升压拓扑结构的EN电平转换电路
注意,使用电平转换电路时,ADP2384/ADP2386的精密使
能特性不复存在。如果不需要使能功能,则只需将EN引脚
连接到输入电压,如图4所示。
按照本文列出的设计准则计算补偿网络元件的值。
• 将交叉频率fC设置在fP和的fZ1的1/3之间
fC =
f P × fZ1
利用同步降压稳压器实现反相降压/升压拓扑结构时,可能
出现的一个常见问题是,输出电压斜升并在稳压器开始工
• 通过以下方程计算RC值:
RC =
启动前降低VOUT斜升
作前变为正电压,如图8所示。
f C × VOUT
K × f P × g m × 0.6
T
其中:
gm为内部误差放大器的跨导,典型值是480 µS。
• 将补偿零点放置在功率级极点fP的1/2处
500mV
0V 2
2 × R × COUT
CC =
(1 + D ) × RC
• 将补偿极点放置在RHPZ fZ1处
D×L
(1 − D )
2
× R × RC
CH2 1.0V BW
M2.00ms
图8. 启动前VOUT 斜升
Rev. 0 | Page 5 of 8
A CH2
–2.72V
10987-008
CCP =
AN-1168
造成这种正输出电压斜升的原因是稳压器的关断电流,此
T
电流从IC的PGND引脚经过低端MOSFET的体二极管,再
回到系统接地点,如图9所示。低端MOSFET的体二极管将
VOUT箝位在体二极管的正向电压水平,典型值通常在500 mV
左右。
180mV
0V 2
ADP2384/ADP2386
PVIN
CIN
SW
L
RTOP
FB
CH2 1.0V BW
VOUT
10987-009
RBOT
A CH2
–2.72V
图11. 通过减小反馈电阻分压器的
阻值降低VOUT 斜升
COUT
GND
M2.00ms
10987-011
VIN
这种解决方案的弊端是系统的静态电流会增加,因为经过
反馈电阻分压器的电流会随着分压器阻值的减小而增大。
轻负载条件下的效率也会受到影响。
图9. 电流经过低端MOSFET的体二极管
VOUT连接至稳压器的GND引脚,该引脚实际上是UVLO等
内部电路的基准点,因此GND引脚所示的正电压会降低
UVLO阈值电压。输入电压非常接近稳压器的UVLO阈值
电压(典型值为4.3 V)时,稳压器可能无法启动。
结论
在反相降压/升压拓扑结构中实现ADP2384/ADP2386的方
案可以像降压方案一样简单、经济、小巧。本应用笔记提
供了在需要使能/禁用功能时可使用的EN电平转换电路。
几乎所有同步降压稳压器在用于实施本文所述的反相降压/
本应用笔记还探讨了在反相降压/升压拓扑结构中应用同步
升压拓扑结构时都会出现此问题,很难彻底消除。一种备
降压稳压器时出现的VOUT斜升至正电压的问题。同时还针
选解决方案是减小反馈电阻分压器的阻值,直到电阻分压
对此问题提供了可能的解决方案。
器两端的压降小于低端MOSFET体二极管的正向电压。然
后,关断电流会经过电阻分压器,而非体二极管,如图10
所示,接着GND引脚上的正电压就会降为可接受的值。
确保设计出稳健且满足所有要求的方案。
相关链接
ADP2384/ADP2386
VIN
系统设计人员遵循本应用笔记中的设计方程和建议,就能
PVIN
表3.
CIN
SW
资源
ADP2384
L
ADP2386
RTOP
FB
AN-1083
RBOT
GND
VOUT
10987-010
COUT
图10. 电流经过反馈电阻分压器
ADP238x
反相降压/
升压稳压器
设计工具
图11显示了减小电阻分压器阻值的结果。正VOUT电压从
500 mV降至180 mV。
Rev. 0 | Page 6 of 8
描述
数据手册,20 V、4 A、同步降压
DC-DC稳压器
数据手册,20 V、6 A、同步降压
DC-DC稳压器
应用笔记,利用开关调节器ADP2300
和ADP2301设计反相降压/升压转换器
ADIsimPower,基于Excel®的反相降压/
升压设计工具(适用于ADP238x系列)。
AN-1168
注释
Rev. 0 | Page 7 of 8
AN-1168
注释
©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
AN10987sc-0-11/12(0)
Rev. 0 | Page 8 of 8
Similar pages